DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI - Digilib

Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI
TINGGI 40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON
MBE LATEKS
Darsono, Suyamto, dan Elin Nuraini
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
JL;Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb, Yogyakarta
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI 40kHz/17,5kV UNTUK STT
COCKCROFT WALTON MBE LATEKS. Telah dilakukan desain trafo tegangan tinggi berfrekuensi tinggi
40kHz/17,5kV untuk sumber tegangan tinggi (STT) Cockcroft Walton. Mesin berkas elektron (MBE)
dirancangbangun pada 300kV/20mA, dengan mengasumsikan efisiensi pemercepatan berkas elektron 70 %,
efisiensi pelipat tegangan 90 % dan efisiensi trafo 90% maka trafo didesain dengan daya 15 kW pada
amplitudo masukan 7 kV. Desain trafo frekuensi tinggi(TFT) berdasarkan metode prosedur desain McLyman
sebagaimana diuraikan dalam buku panduan berjudul Transformer and Inductor Design Handbook. Untuk
memudahkan perhitungan desain dan simulasi digunakan program Excel. Hasil simulasi menunjukkan
bahwa faktor penggunaan jendela inti trafo sangat mempengaruhi keakuratan desain. Sedangkan frekuensi
trafo mempengaruhi rugi inti. Berdasarkan hasil perhitungan desain diperlukan 6 buah inti ferit bentuk
UU320/160/40 mm, jumlah kumparan primer dan sekunder 56 dan 216 lilit, panjang kabel primer dan
sekunder 29 dan 137 m, jumlah kawat serabut Cu diameter 0,3 mm yang dibentuk menjadi kabel untuk
primer dan sekunder 43 dan 18 biji, dan disipasi daya trafo sebesar 619,08W. Isolasi antar belitan
menggunakan plastik PTFE, isolasi enkapsulasi menggunakan minyak trafo dan bahan koker menggunakan
plexiglass.
Kata kunci : Disain, Trafo frekuensi, tegangan tinggi, Cockcroft Walton, dan MBE.
ABSTRACT
DESIGN OF A HIGH VOLTAGE, HIGH FREQUENCY TRANSFORMATOR 40kHz/17.5Hz FOR HIGH
VOLTAGE SUPLAY OF COCKCROFT WALTON EBM LATEX. A High voltage, high frequency
transformator 40kHz/17.5kV for high voltage supply of Cockcroft Walton has been designed. The electron
beam machine (EBM) designed for 300kV/20mA, by assumption the efficiency of beam transport 70%, the
efficiency of voltage multiplier 90%, the efficiency of transformator 90% therefore the power of
transformator must be designed for 15kW at amplitude input 7kV. The transformator design used McLyman
procedure methode which is described in Transformer and Inductor Design Handbook. To ease doing
simulation and calculating design of transformator the Excel programe was used. The result of simulation
shows that the window utilization factor of transformator core affects to the accuracy of design result.The
frequency of transformator affects to core loss. Based on the calculating design result, it needs 6 ferrite core
of type UU320/160/40 mm, primier and secondary coils of 56 and 216 turns, premier and seconday cable
lengths of 29 and 137 m, number of Cu wire with 0,3 mm diameter to form cable for premier and seconday
coils of 43 and 18 pieces, power dissipation of transformator of 619.08W. Winding insulation uses PTFE
plastic, encapsulation insulation uses oil transformator, and bobbin material uses flexiglass.
Keyword : Design, HV/HF,transformator, HV-Cockcroft Walton, EBM
PENDAHULUAN
B
ATAN sedang melakukan rancangbangun
MBE dengan kapasitas 300 keV/20 mA
dengan sasaran kegiatan satu prototip MBE
skala industri untuk proses pra-vulkanisasi karet
alam.[1]
Sumber
tegangan
tinggi
untuk
mempercepat elektron menggunakan generator
Cockcroft-Walton. Komponen utama generator
Cockcroft-Walton adalah pelipat tegangan, HV
terminal dome, electrode ring, trafo frekuensi
tinggi.[2] Komponen utama tersebut yang belum
dilakukan rancangbangun adalah trafo frekuensi
tinggi.
Pada saat ini trafo frekuensi tinggi dengan
spesifikasi yang diinginkan tidak ada di pasaran
baik dalam negeri maupun luar negeri, sehingga
harus dirancangbangun sendiri. Di samping itu juga
untuk meningkatkan kemampuan peneliti dalam
rancangbangun dan meningkatkan kandungan lokal
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
5
Volume 14 , November 2012
dari komponen-komponen trafo tersebut. Langkah
rancangbangun meliputi desain, pengadaan bahan,
konstruksi, uji fungsi dan keandalan.
Pada makalah dilaporkan hasil desain trafo
frekuensi tinggi bertegangan tinggi untuk sumber
tegangan tinggi Cockcroft Walton-MBE. Metode
desain mengacu pada prosedur desain McLyman
sebagaimana diuraikan dalam buku panduan
berjudul Transformer and Inductor Design
Handbook[3] Mengingat luaran daya MBE yang
dirancangbangun 6 kW dengan mengasumsikan
efisiensi pelipat tegangan 90 % dan pemercepatan
berkas elektron 70 %, efisiensi trafo 90 %,
sehingga trafo frekuensi tinggi yang didesain harus
mempunyai spesifikasi daya 15 kW, frekuensi dan
amplitudo masukan sesuai osilator daya yaitu 40
kHz dan 7 kV serta amplitudo luaran sesuai pelipat
tegangan yaitu 17,5 kV.
Standar desain transfomator frekuensi tinggi
sangat berbeda dengan standar trafo biasa.
Beberapa hal yang harus diperhatikan adalah: a)
insulation material, b) core loss and heat
dissipation, c) skin effect.[4,5] Pada trafo frekuensi
tinggi harus diperhatikan skin effect karena pada
frekuensi tinggi densitas arus pada bagian
permukaan lebih besar dibandingkan dibagian
tengah ketika arus mengalir pada kawat email.
Faktor lain yang harus diperhatikan dalam desain
trafo frekuensi tinggi adalah inti trafo, yang harus
menggunakan inti dari bahan ferit, tidak bisa
menggunakan besi lunak.
Perhitungan desain trafo frekuensi tinggi
berdasarkan prosedur McLyman menggunakan
program Excel untuk memudahkan perhitungan
dan simulasi. Adapun luaran kegiatan desain
adalah spesifikasi trafo frekuensi tinggi
bertegangan tinggi.
TATA KERJA
Desain trafo frekuensi tinggi (TFT)
berdasarkan
prosedur
desain
McLyman
sebagaimana diuraikan dalam buku panduan
berjudul Transformer and Inductor Design
Handbook[3]. Adapun diagram alir prosedur desain
seperti ditunjukkan pada Gambar 1 pada Lampiran.
Desain trafo pada prinsipnya hanya terdiri
dari inti trafo dan kumparan, namun demikian
dalam mendesain trafo frekuensi tinggi dan
tegangan tinggi memerlukan pertimbangan detail
bahan dari inti trafo, kumparan, dan isolasi serta
rugi daya dan tata letak.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 5- 15
ISSN 1411-1349
A. Desain Inti Trafo
Trafo yang dibuat beroperasi pada frekuensi
tinggi maka inti trafo yang digunakan harus bahan
ferit untuk mengurari rugi arus eddy dan histerisis.
Bahan dasar ferit merupakan paduan MnZn atau
NiZn, kemudian dengan menambahkan unsur
tertentu maka akan menghasilkan sifat magnet
yang sangat berbeda. Bahan ini mempunyai
resistivitas elektrik yang tinggi sehingga rugi arus
eddy kecil bahkan bisa diabaikan. Lebih jauh bahan
ferit ini mempunyai rugi histerisis rendah pada
frekuensi tertentu. Ada banyak jenis bahan ferit
yang masing-masing mempunyai frekuensi operasi
tertentu mulai dari puluhan kHz sampai dengan
puluhan MHz seperti disajikan acuan[5] sehingga
dalam desain inti magnet harus dipilih bahan ferit
yang sesuai dengan frekuensi operasi dari trafo
yang didesain. Dalam hal ini trafo didesain
beroperasi pada frekuensi tinggi (40 kHz ), dan
tegangan tinggi (tegangan primer Vp = 7 kV,
tegangan sekunder Vs = 17,5 kV) pada daya (Po =
15 kW) maka diperlukan dimensi inti trafo yang
cukup besar.
a)
Dimensi inti trafo
Mengingat trafo akan menghasilkan
tegangan sekunder yang tinggi maka kumparan
primer dan sekunder tidak berada dalam satu inti
magnet trafo. Untuk itu diperlukan inti trafo ferit
bentuk C-core atau U-core. Untuk menentukan
dimensi inti trafo yang optimum maka harus
dihitung dulu besarnya area product (Ap)
berdasarkan daya trafo yang akan didesain dan
densitas fluks magnet optimum dari bahan ferit
yang digunakan. Ap ini merupakan perkalian area
jendela (Aw) dengan area tampang lintang inti (Ac).
Untuk menjamin rugi-rugi inti rendah maka
umumnya densitas fluks magnet Bm dibatasi
sampai 0,20 T, dalam desain ini Bm ditentukan
0,15T untuk mengurangi rugi inti magnet.
Parameter lain yang diperlukan pada perhitungan
Ap adalah sbb: Pt adalah apparent power capability
(Pt = 2Po), k = 4,4 adalah koefisien bentuk sinyal
input gelombang sinus, Ku adalah faktor
pemanfaatan jendela inti magnet (besarnya
tergantung area konduktor tembaga, area kabel,
area kumparan, dan jendela inti magnet) yang
besarnya tergantung kawat tembaga dan bundel
kawat konduktor,
f adalah frekuensi trafo,
sedangkan Kj adalah koefisien densitas arus pada
25oC untuk bentuk C-core atau U-core menurut
McLyman. Dengan menggunakan prosedur desain
trafo McLyman langkah ke 4 pada Gambar 1 maka
diperoleh nilai Ap. Selanjutnya dari nilai Ap
dilakukan perhitungan volume inti trafo (Vc ), luas
permukan inti trafo (At.) dan densitas arus trafo
berdasarkan langkah ke 6 dari Gambar 1 dengan Kv
6
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
adalah koefisiensi volume, Ks adalah koefisien luas
permukaan. Dari hasil perhitungan Ap, Vc, At.
maka dimensi inti trafo yang optimum dapat
ditentukan, sedangkan dari perhitungan rapat arus J
akan menentukan diameter kawat tembaga dari
kumparan primer dan sekunder.
Kebanyakan bahan ferit yang sudah siap ada
dipasaran dari fabrikan TDK Jepang berdimensi
kecil, sedangkan bahan ferit yang mempunyai
dimensi besar yang sudah siap ada dipasaran adalah
buatan China. Pada desain trafo disini
menggunakan bahan inti trafo ferit buatan Cina
dengan dimensi dan spesifikasi seperti ditunjukkan
pada Tabel 1 dan Gambar 2.
Gambar 2. Dimensi inti trafo dan foto inti trafo ferit.
Tabel 1. Spesifikasi inti trafo bahan ferit.
Parameter(参数)
Core constant(磁芯常数)
Symbol（ 示）
C1
Value（数据）
0.7
Unit（ 位）
mm-1
度）
Le
1120
mm
Effective area（有效截面
）
Ae
1600
mm2
Effective volume（有效体
）
Ve
1792000
mm3
AL
4100
nH/N2
W
8601
g
Effective pathlength（有效
Inductance factor(
感因数)
Weight of set（重量）
UU320 UU320/160/40
Other name（其他名称）
Product code ( 品
)
S/N
Faktor pemanfaatan jendela inti trafo dapat
ditentukan menggunakan persamaan berikut.[5]
Ku = S1.S2.S3.S4
(1)
dengan S1 adalah nisbah area konduktor tembaga
terhadap area kabel, S2 adalah nisbah area
gulungan terhadap area jendela yang digunakan, S3
adalah nisbah area jendela yang digunakan
terhadap area jendela, S4 adalah nisbah area jendela
yang digunakan terhadap jumlahan area jendela
yang digunakan dan area insulasi.
Untuk
memperoleh desain trafo optimum maka dilakukan
simulasi pengaruh perubahan nilai Ku terhadap
perubahan nilai area product Ap. Dalam desain
trafo ini besarnya nilai Ku ditentukan secara
S/N:P03160240
eksperimen dengan menentukan nilai S1,S2,S3 dan
S4.
b) Rugi-rugi inti
Rugi-rugi inti adalah salah satu sifat trafo
AC yang paling penting. Beberapa energi tidak
dapat dipulihkan karena magnetisasi bahan inti dan
energi dirubah ke panas. Hal ini teramati sebagai
histerisis dari kurva B-H. Fluks AC di dalam inti
menyebabkan arus yang proposional dengan
frekuensi eksitasi, sehingga rugi-rugi inti naik
sebagai kuadrat frekuensi untuk bahan inti
mempunyai resistivitas murni. Fabrikan bahan
magnet biasanya memberikan informasi rugi daya
spesifik dari jenis bahan ferit.
Berdasarkan
eksperimen dari bahan ferit besarnya rugi-rugi inti
dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut.[5]
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
7
Volume 14 , November 2012
d
PL = af c Bm
dengan f adalah frekuensi operasi (kHz), Bm adalah
densitas fluks magnet (kgauss), a,c dan d adalah
koefisien dari kurva rugi spesifik bahan magnet.
Untuk bahan ferit MnZn pada frekuensi 10
kHz<f<100 kHz besarnya koefisen a, c dan d
masing-masing adalah 0,0717; 1,72 dan 2,66.
Untuk mengetahui pengaruh densitas fluks magnet
terhadap rugi inti trafo dilakukan simulasi untuk
berbagai nilai Bm yaitu 0,15T, 0,20T dan 0,25T.
Jika data karakteristik inti trafo dari fabrikan
lengkap maka dapat pula dihitung rugi inti pada
suhu lebih tinggi dari suhu kamar menggunakan
prosedur desain langkah ke 19.
B. Desain Kumparan Trafo
a)
Jumlah lilitan primer dan sekunder
Kumparan trafo terdiri dari koker, lilitan
kabel, dan insulasi antar lilitan kabel. Banyak
lilitan kabel primer Np maupun sekunder Ns
dihitung berdasarkan prosedur desain trafo
McLyman langkah ke 8 dan 9. Perhitungan Np dan
Ns menggunakan data yang sama pada perhitungan
desain Ap dengan tambahan data nilai luas tampang
lintang inti trafo Ac nilai tegangan primer Vp dan
tegangan sekunder Vs.
b) Diameter kabel dan konduktor Cu
Besarnya
diameter
kabel
dihitung
berdasarkan prosedur desain trafo McLyman
langkah ke 10 dan 11, dengan menggunakan data
hasil perhitungan rapat arus trafo J pada langkah ke
6 dan daya spesifikasi trafo yang didesain yaitu Po
adalah 15 kW.
Mengingat trafo beroperasi pada frekuensi
tinggi maka harus diperhitungkan skin effect. Pada
frekuensi tinggi rapat arus pada permukaan
konduktor lebih tinggi dari bagian dalam konduktor
dengan kata lain arus cenderung mengalir pada
permukaan. Hal ini akan menyebabkan tahanan
konduktor naik dikarenakan kedalaman penetrasi
medan magnet dalam bahan mengecil. Tahanan
konduktor yang membesar ini akan menyebabkan
rugi konduktor yang tinggi. Untuk mengeliminasi
rugi konduktor maka diameter kabel konduktor
dibuat dari sejumlah kawat tembaga yang kecil
(<0,3mm) dibentuk kabel konduktor. Besarnya
diameter kabel dihitung berdasarkan prosedur
desain trafo McLyman langkah ke 11 dengan
jumlah konduktor Cu tiap kabel (bundel Cu)
menggunakan prosedur desain langkah ke 12.
Panjang kawat
primer dan sekunder yang
diperlukan menggunakan prosedur langkah ke 13.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 5- 15
ISSN 1411-1349
c)
Koker
Dimensi koker menyesuaikan dengan
dimensi inti trafo. Karena inti trafo bentuk U-core
maka dimensi koker berbetuk balok dengan pada
kedua ujung balok diberi kupingan. Bahan yang
digunakan bisa menggunakan flexiglass atau
vertinex.
C. Desain Isolasi
Isolasi memiliki peranan yang sangat
penting dalam sistem tenaga listrik. Isolasi sangat
diperlukan untuk memisahkan dua atau lebih
penghantar listrik yang bertegangan sehingga
antara penghantar tersebut tidak terjadi lompatan
listrik atau percikan. Ada tiga jenis isolasi tegangan
tinggi yaitu bentuk solid (misal kertas, nylon,
flexiglass), gas (misal SF6, CO2+N2), dan cair
(misal oli trafo,oli silicon).
Dalam merancang trafo frekuensi tinggi
bertegangan tinggi, isolasi merupakan hal yang
sangat diperhatikan sbb:
1. Isolasi antara lilitan kabel, Adanya skin
effect pada frekuensi tinggi mengakibatkan
arus mengalir dipermukaan konduktor
sehingga isolasi antara lilitan kabel harus
baik. Dalam prakteknya kabel untuk
frekuensi tinggi menggunakan kabel khusus
yang terdiri dari beberapa kawat konduktor
Cu diameter kecil dan diparalel dengan
masing-masing kawal terisolasi atau dengan
plat
konduktor
sehingga
diperoleh
perbandingan keliling dibagi penampang
konduktor lebih besar dibanding kawat
tunggal berpenampang sama. Dalam hal ini
menggunakan nylon sebagai pengikat
kemudian dilapisi insulator dari fiberlateks.
2. Isolasi antara belitan (winding), pada trafo
tegangan tinggi khususnya pada kumparan
sekunder bisa mencapai orde 5 kV. Untuk
trafo isolasi oli umumnya isolasi antara
belitan menggunakan diamond paper,
prespan atau , dalam hal ini menggunakan
plastik mika (PTFE) .
3. Isolasi kumparan sekunder dan primer,
beda tegangan ini bisa mencapai puluhan kV
tergantung trafo yang dibuat. Isolasi yang
baik bisa pakai minyak trafo dialab B,
isovoltine atau gas SF6, dalam hal ini
menggunakan minyak trafo.
4. Isolasi kumparan dengan inti trafo, pada
trafo tegangan tinggi khususnya pada daerah
sekunder mempunyai electrical field stress
yang sangat tinggi. Bobin (kumparan)
umumnya menggunakan bahan flexiglass
karena mempunyai banyak pilihan tebal
yang sesuai dengan kebutuhan dibandingkan
8
Volume 14, November 2012
dalam
hal
ini
D. Disipasi Daya Trafo
Disipasi daya trafo terdiri dari rugi inti trafo
dan rugi konduktor Cu. Rugi pada konduktor Cu
dapat dihitung berdasarkan prosedur desain trafo
McLyman langkah ke 15 dengan terlebih dahulu
menghitung tahanan primer dan sekunder
menggunakan prosedur desain langkah ke 14.
Dalam perhitungan ini resistivitas konduktor Cu
berdasarkan
acuan,
sedangkan
banyaknya
konduktor Cu dan luas penampang konduktor Cu
menggunakan data pada perhitungan diameter
kabel dan konduktor Cu. Rugi inti trafo
menggunakan perhitungan rugi inti sebelumnya.
Besarnya disipasi daya dihitung menggunakan
prosedur desain langkah ke 18.
untuk kumparan dibuat sendiri. Oleh karena itu
sebelum melakukan perhitungan detail paramater
inti trafo pelu diteliti parameter dominan dalam
perhitungan. Hasil simulasi evaluasi geometri inti
magnet trafo menggunakan prosedur langkah ke 4
dan 6 dari Gambar 1 disajikan pada Tabel 2.
磁芯总损耗 50KHz Cor e l oss
磁芯损耗 Cor e l oss Pc（W）
menggunakan vertinex,
menggunakan flexiglass.
ISSN 1411-1349
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
200mT
150mT
100mT
80mT
50mT
0
Kenaikan suhu dapat dihitung menggunakan
prosedur desain langkah ke 21, karena
menggunakan suhu pendinginan minyak trafo maka
akan dihitung tersendiri yang merupakan bagian
dari desain casis trafo.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Desain Inti Trafo
Perhitungan desain trafo frekuensi tinggi
berdasarkan prosedur desain McLyman seperti
pada diagram alir Gambar 1 dilakukan
menggunakan program Excel.
Sebagai input
perhitungan adalah tegangan primer Vp = 7 kV,
tegangan sekunder Vs = 17,5kV, daya trafo Po = 15
kW, frekuensi osilator f = 40kHz sesuai dengan
user reguirement, koefisien untuk gelombang sinus
k = 4,4, koefisien lain yang diperlukan pada
perhitungan, dan fluks magnet inti. Pada desain
trafo digunakan inti trafo bentuk U maka koefisien
yang diperlukan pada perhitungan yaitu[4,5] :
koefisien densitas arus Kj = 323, koefisiens volume
U-core Kv = 17,9, koefisien luas permukan U-core
Ks = 39,2. Koefisien pemanfaatan jendela inti trafo
ditentukan berdasarkan jenis kabel yang
Ku
digunakan
sedangkan fluks magnet inti Bm
ditentukan berdasarkan karakteristik inti trafo.
Spesifikasi inti ferit trafo fabrikan Cina seperti
diperlihatkan pada Gambar 3[6].
Dengan
mempertimbangkan faktor desain ditentukan fluks
medan magnet maksimum Bm = 0,15T.
Dimensi trafo sangat ditentukan dari
perhitungan area product Ap = WaAc sedangkan
area product ditentukan oleh nilai Ku. Besarnya
nilai Ku ditentukan oleh jenis kabel yang
digunakan, dalam hal ini kabel yang digunakan
Gambar 3.
40
60
80
100
120
Temper at ur e
Pengaruh suhu terhadap rugi inti
untuk berbagai fluks densitas
magnet.
Dari Tabel 2 terlihat bahwa parameter
dominan desain yang sangat mempengaruhi hasil
perhitungan adalah faktor pemanfaatan jendela Ku.
Dari Tabel 2 terlihat bahwa harga Ku sangat
menentukan optimalisasi desain karena dengan
perubahan harga Ku dari 0,01 menjadi 0,02
besarnya harga Ap berubah sangat drastis lebih dari
50%.
Lebih detail pengaruh Ku pada besarnya
nilai Ap yang akan menentukan dimensi trafo
disajikan pada Gambar 3 . Terlihat pada Gambar 4
bahwa penyimpangan nilai Ku 10% akan
menyebabkan penyimpangan nilai Ap sekitar 20%.
Jadi untuk mendapatkan hasil desain yang optimum
maka penentuan harga Ku harus benar hati-hati dan
teliti.
Besarnya nilai paramter Ku
dapat
ditentukan dari jenis kabel yang akan digunakan
untuk primer dan sekunder. Dalam hal ini kabel
dibuat menggunakan kawat serabut Cu diameter
0,3 mm yang diberi isolasi nylon dan isolasi bakar.
Untuk primer menggunakan 42 biji kawat Cu
dengan diameter 2,142 mm yang mampu
mengalirkan arus 2 A. Sedangkan untuk sekunder
menggunakan 20 biji kawat Cu dengan diameter
1,642 mm yang mampu mengalirkan arus 0,8A.
Setelah kawat serabut dipilin menggunakan nylon
dan diikat menggunakan isolator bakar diameter
bundle Cu (kabel) primer menjadi 8 mm sedangkan
diameter kabel sekunder menjadi 6,5 mm. Dengan
menggunakan bahan inti ferit dari fabrikan Cina
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
20
温度
E. Kenaikan Suhu Trafo
9
Volume 14 , November 2012
ISSN 1411-1349
Tabel 2. Hasil simulasi pengaruh Ku pada parameter geometri inti trafo dan rapat arus.
Persyaratan desain
B=0,15 T, Vp=7 kV,
Vs=17,5kV
Po=15 kW, f=40kHz
Efisiensi=90%
Toleransi kenaikan
temperatur ∆T=50oC
Parameter geometri inti
Vc (cm3)
At (cm2)
Ap (cm4)
12993(Ku=0,01)
5814 Ku=0,02)
2008 (Ku=0,05)
21784(Ku=0,01)
11919 (Ku=0,02)
5370 (Ku=0,05)
D eviasi Ap(%)
yang mempunyai window area 57600 mm2 dan
persamaan (1) maka besarnya variabel Ku dapat
ditentukan seperti pada Tabel 3.
350
300
250
200
150
100
50
0
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
Ku
Gambar 4:
Pengaruh paramater Ku terhadap
area product.
Tabel 3. Hasil Perhitungan parameter Ku.
Varibel Ku
S1
S2
S3
S4
Nilai
0,116706
0,753968
0,328125
0,303614
Ku
0,008766
Dengan menggunakan nilai Ku yang sudah
tetap maka nilai parameter geometri inti trafo dan
rapat arus dihitung ulang dengan hasil seperti pada
Tabel 4.
Untuk menghasilkan desain yang optimum
yaitu rugi-rugi inti dan kawat tembaga rendah maka
harus dipilih inti magnet trafo yang sesuai dengan
parameter pada Tabel 4. Jika area product inti trafo
yang dipilih lebih besar dari hasil perhitungan
maka densitas daya yang dihasilkan akan kecil.
Hal ini mengakibatkan trafo terlalu besar untuk
aplikasi yang dikehendaki. Sebaliknya jika area
product inti trafo lebih kecil dari hasil perhitungan
maka kenaikan suhu akan lebih besar dari
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 5- 15
4468 (Ku=0,01)
2989 (Ku=0,02)
1756 (Ku=0,05)
J (A/cm2)
143,3(Ku=0,01)
158,3 (Ku=0,02)
180,8 (Ku=0,05)
perhitungan. Hal ini akan menyebabkan trafo
menjadi panas dan insulasi gulungan menjadi
stress. Idealnya inti trafo yang dipilih yang
mempunyai spesifikasi Ap, Vc, dan At seperti data
perhitungan pada Tabel 4. Namun realitanya
memilih inti magnet trafo yang sesuai dengan hasil
perhitungan tidaklah mudah khususnya untuk trafo
yang didesain khusus seperti untuk STT Cockroft
Walton.
Dari Tabel 4 ditentukan paramter inti trafo
bentuk U, Wa = 24 cm x 24 cm, maka luas inti
(core area) Ac = 4 cm x 12 cm. Untuk itu
diperlukan U-320 fabrikan sebanyak 6 potong.
Sebetulnya hanya diperlukan tampang lintang inti
Ac = 4 cm x 8 cm atau diperlukan sebanyak 4
potong. Untuk mengurangi disipasi daya akibat
gulungan kawat tembaga sehingga mengurangi
panas yang terbentuk pada inti trafo maka dipilih
tampang lintang inti Ac = 4 cm x 12 cm. Disamping
itu dengan pemilihan tampang lintang inti yang
lebih besar maka tegangan dadal antara gulungan
akan lebih kecil jika dibandingkan dengan tampang
lintang yang kecil pada tegangan tinggi yang sama.
Setelah menentukan dimensi inti trafo perlu
dihitung rugi inti magnet trafo. Dari data fabrikan
seperti pada Gambar 3 besarnya rugi inti ferit pada
fluks medan magnet 0,15T dan dioperasikan pada
50 kHz adalah 200 W untuk suhu operasi 40o C.
Rugi inti ferit dapat ditentukan berdasarkan
persamaan empiris berdasarkan persamaan (2).
Berdasarkan persamaan (2) untuk Bm = 0,15 T
maka besarnya rugi inti adalah 0,1138 W/cm3.
Untuk volume satu inti 1792 cm3 besarnya rugi inti
adalah 202,5 W sehingga besarnya disipasi daya
untuk tiga kali volume inti adalah 607,5 W. Secara
empiris berdasarkan persamaan 2 besarnya disipasi
daya inti sebagai fungsi frekuensi operasi seperti
ditunjukkan pada Gambar 5.
Terlihat untuk
frekuensi yang lebih rendah akan menghasilkan
rugi daya inti yang kecil.
10
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
Tabel 4. Hasil perhitungan parameter geometri inti dan rapat arus.
Persyaratan desain
B=0,15 T; Vp=7 kV; Vs=17,5kV; Po=15 kW
Ku=0,008766; f=40kHz; Efisiensi=90%
Toleransi kenaikan temperatur ∆T=50oC
Pengaruh frekuensi terhadap disipasi …
asi daya inti (W)
0 50 100
Berdasarkan uraian perhitungan dan hasil
pembahasan diatas maka detail desain parameter
inti trafo dapat diringkas seperti pada Tabel 5.
5. Hasil perhitungan detail desain
paramater inti trafo.
Parameter Inti Trafo
Bentuk Inti/Dimensi
UU320/160/40 mm
Wa
240 x 240 mm2
Volume efektif
3 x 179200 mm3
Ac
40 x 120 mm2
Fluks magent maksimum
Rugi Inti
0,15T
607 Watt
Desain Kumparan Trafo
24428,99
Tabel 6.
No
Series1
Frekuensi kumparan (kHZ)
Gambar 5. Pengaruh frekuensi terhadap disipasi
daya inti.
Tabel
15138,05
1
2
2000
0
Parameter geometri inti
Vc (cm3)
At (cm2)
Ap (cm4)
4823,041
Hasil perhitungan
kumparan trafo.
Spesifikasi
Paramater
Jumlah lilitan
Kabel serabut lilitan
Φ=0,3mm
a)
Jumlah
b) Diameter kabel
c)
Panjang
J (A/cm2)
140,5197
detail
Primer
desain
56
Sekunder
216
43
8 mm
29 m
18
6,5 mm
137 m
Dimensi koker menyesuaikan dengan
dimensi inti trafo. Karena inti trafo bentuk U-core
maka dimensi koker berbentuk balok dengan pada
kedua ujung balok diberi kupingan. Bahan yang
digunakan untuk koker menggunakan flexiglass.
Desain Isolasi
Dalam merancang trafo frekuensi tinggi
bertegangan tinggi, isolasi merupakan hal yang
sangat diperhatikan. Isolasi padat digunakan pada
pembuatan kumparan dan koker, serta isolasi
minyak trafo digunakan untuk enkapsulasi trafo.
Karena trafo beroperasi pada frekuensi tinggi maka
ada skin effect yang mengakibatkan arus mengalir
dipermukaan konduktor sehingga isolasi antara
lilitan kabel harus baik. Adapun isolasi yang
digunakan pada desain trafo frekuensi tinggi seperti
pada Tabel 7.
Tabel 7. Pengisolasian trafo frekuensi tinggi.
Banyak lilitan kabel primer Np maupun
sekunder Ns dihitung berdasarkan prosedur desain
trafo McLyman langkah ke 8 dan 9 dengan data Ac
dan Bm seperti pada Tabel 5. Besarnya diameter
kabel dihitung berdasarkan prosedur desain trafo
McLyman langkah ke 11 dengan mengggunakan
hasil perhitungan rapat arus pada Tabel 4. Jumlah
konduktor Cu tiap kabel menggunakan prosedur
desain langkah ke 12, yang dalam hal ini digunakan
kawat serabut Cu diameter 0,3 mm. Panjang kawat
primer
dan
sekunder
yang
diperlukan
menggunakan prosedur langkah ke 13. Hasil
perhitungan desain parameter kumparan trafo
seperti ditunjukkan pada Tabel 6.
No
1
Pengisolasian
Isolasi antara
lilitan kabel
2
Isolasi antara
belitan
(winding)
Isolasi
kumparan
dengan
inti
trafo
Enkapsulasi
trafo
3
4
Isolasi yang digunakan
Nylon untuk pengikat
kawat email serabut Cu
dan selongsong isolasi
bakar untuk isolasi antar
lilitan
Plastik mika (PTFE)
Flexiglass
Minyak trafo
Adapun karakteristik minyak trafo yang
digunakan seperti ditunjukkan pada Gambar 6.
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
11
Tegadan dadal (kV)
Volume 14 , November 2012
ISSN 1411-1349
500
e)
menggunakan minyak trafo dengan bahan
koker menggunakan plexiglass.
Disipasi daya trafo sebesar 619,08 W.
400
300
DAFTAR PUSTAKA
200
[1] DARSONO, Rancangan Dasar Mesin Berkas
Elektron 300 keV/20 mA Untuk Industri Lateks
Alam, Prosiding PPI Teknologi Akselerator
dan Aplikasinya, Edisi khusus, Yogyakarta,
Juli 2006.
100
0
0
20
40
60
Jarak elektroda (mm)
Gambar 6. Karakteristik tegangan dadal oli trafo
STT-MBE.
Disipasi Daya Trafo
Disipasi daya trafo berasal dari rugi inti ferit
trafo dan rugi konduktor tembaga yang besarnya
disipasi daya dihitung menggunakan prosedur
desain langkah ke 18. Rugi inti ferit trafo telah
dihitung yang besarnya 607 W. Rugi konduktor
tembaga
dihitung
menggunakan
prosedur
McLyman langkah ke 14 yang besarnya 2,02 W
untuk kumparan primer dan 10,6 untuk kumparan
sekunder. Dalam perhitungan ini resistivitas
konduktor Cu berdasarkan acuan sebesar 1,71881
x 10-6 Ωcm[4], sedangkan banyaknya konduktor Cu
dan luas penampang konduktor Cu menggunakan
data pada perhitungan diameter kabel dan
konduktor Cu. Besarnya disipasi daya trafo
P = 607 W + 2,02 W + 10,6 W
= 619,08 W.
[2] NAIDU, M.S., KAMARAJU, V., High
Voltage Engineering (2nd Edition), Mc GrawHill (1996).
[3] MCLYMAN, W. T., "Transformer and
Inductor
Design
Handbook
(second
edition)",New York: Marcel Decker, Inc.,
1984.
[4] FOTHERGILL, J. C., “A Novel Prototype
Design for a Transformer for High Voltage,
High Frequency High Power Use”, IEEE
Transactions on Power Delivery, Vol. 16, No.
1, January, 2001.
[5] BOLBORICI, V., “Design of low profile
transformers for high frequency operation”,
Thesis submitted for Master of Applied
Science Graduate Department of Electricai and
Cornputer Engineering University of Toronto,
1999.
[6] www.cwsbytemark.com
TANYA JAWAB
KESIMPULAN
Telah dilakukan perhitungan detail desain trafo
frekuensi tinggi bertegangan tinggi dengan
menggunakan
panduan
desain
McLyman.
Perhitungan dilakukan menggunakan program
Excel diperoleh spesifikasi trafo frekuensi tinggi
bertegangan tinggi sbb:
a) Dimensi inti trafo menggunakan inti ferit
bentuk UU320/160/40 mm sebanyak 6 buah.
b) Kumparan primer dan sekunder berjumlah 56
dan 216 lilit menggunakan kawat serabut email
Cu diameter 0,5 mm yang diikat menggunakan
nylon dan diselongsong menggunakan isolasi
bakar.
c) Kawat serabut email Cu sebanyak 43 biji untuk
lilitan kabel primer dan sebanyak 18 biji untuk
lilitan kabel sekunder dengan panjang masingmasing 29 m dan 137 m
d) Isolasi antar belitan menggunakan plastik
PTFE,
sedangkan
isolasi
enkapsulasi
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 5- 15
Jumari
− Dalam mendesain trafo tegangan tinggi setelah
N dan diameter kawat sudah ditemukan
kemudian dalam pemilihan jenis kawat yang
memenuhi syarat untuk digunakan?
Darsono
• Pemilihan jenis kawat yang memenuhi syarat
ditentukan secara eksperimen dengan
mengukur diameter, panjang dan tahanan
maka diperoleh resistivitas. Juga dilakukan
penimbangan untuk menentukan penghantar
tembaga
Edi Trijono
− Batas
frekuensi
tinggi
gelombang
elektromagnetik adalah 70 MHz sehingga trafo
yang beroperasi pada frekuensi 40 kHz belum
mengalami dampak “skin effect” pada
konduktor yang digunakannya. Desain trafo 40
12
Volume 14, November 2012
kHz menggunakan kabel serabut justru memberi
kerugian ruang lilitan dan biaya. Mengapa
desain trafo Bapak, tidak mengacu pada
nilaiekonomi yang maksimum ?
Darsono
• Skin effect tidak hanya frekuensi orde MHz,
tapi berlaku untuk sumber AC orde Hz. Pada
sumber AC arus yang mengalir pada
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
ISSN 1411-1349
konduktor diameter A tidak terdistribusi
merata, tetapi arus bagian kulit lebih rapat
dibandingkan bagian tengah. Justru dengan
memakai kabel serabut “copper loss” sangat
rendah sehingga trafo lebih efisien sehingga
menjadi ekonomis.
13
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
LAMPIRAN
Gambar 1. Diagram Alir Prosedur Desain Trafo Frekuensi Tinggi
Tentukan Input
Disain:Vp, Vs,f,Po ,k,
Ku ,η dan ∆T
A
Tentukan lilitan
primer
⎛ V p .10 4
N p = ⎜⎜
⎝ k .Bm f . Ae
Pilih bahan magnet sesuai
f=>range f, Bm, specific
loss curve.
Tentukan Bm, dari
specific loss curve.
Tentukan lilitan sekunder
⎛ Np. ⎞
⎟V
Ns = ⎜
⎜ .V p ⎟ s
⎝
⎠
Hitung area product Ap=WaAc
⎛
Pt 10 4
⎜
Ap =
⎜ k .Bm fK u K j
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
⎞
⎟
⎟
⎠
1,16
Hitung arus sekunder dan primer
Is =
Evaluasi Geometri
Inti
P0
Vs
IP =
P0 /η
Vp
Hitung penampang kawat
primer & sekunder
Hitung volume dan
luas permukaan inti
At = K s A p0 , 5
Hitung densitas
arus trafo
J = K j Ap−0 ,125
V C = K V A p0 , 75
Tentukan dimensi inti:
Ap dipilih>Aphitung
Îoversize, densitas daya kecil
Ap dipilih< Aphitung
Îtrafo panas, insulasi
belitan stress
A wp =
IP
J
A ws =
I2
J
A penampang kawat Cu dia 0,3 mm
jumlah kawat primer & sekunder
np =
A wp
ns =
A
A ws
A
Ae,Wa
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi
Akselerator dan Aplikasinya
Vol. 14, November 2012 : 5 - 15
A
B
14
Volume 14, November 2012
ISSN 1411-1349
B
Rugi inti empiris
PL = af c Bmd
Untuk 10kHz<f<100 kHz
Îa=0,0717; c=1,72 dan d=2,66.
Hitung Panjang kawat
primer & sekunder
l P = MLTP N P
l S = MLTS N S
Perhitungan rugi inti pd T-ambient+∆T
dari data grafik:
Hitung tahanan primer &
sekunder
RP = l P
ρ
An p
; RS = l S
ρ
An S
PFe −25 = w1 ; PFe −100 = w2 maka
PT + ∆T = w1 +
(T + ∆T ) − 25
( w2 − w1 )
100 − 25
Hitung rugi kawat Cu primer
& sekunder
PCP = I P2 RP ; PCS = I S2 RS
Disipasi daya
W = PFe + PCu
Estimasi total rugi trafo
P∑=
P0
η
− P0
Perhitungan kenaikan
temperartur:Asumsi rugi trafo P∑
maka radiasi termal
ω R = k rε (T24 − T1 4 )
Rugi inti dan kawat Cu pd PFe
(core loss)=PCU (Cu loss)
PCu =
P∑
P
; PFe = ∑
2
2
radiasi konveksi gas
ω C = k C F ( ∆T )ξ P
SELESAI
DESAIN TRAFO TEGANGAN TINGGI BERFREKUENSI TINGGI
40kHz/17,5kV UNTUK STT COCKCROFT WALTON MBE LATEKS
Darsono, dkk
15