PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI - ANSN

.'"
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juri 1999
PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV120mA
SEBAGAI TEGANGAN PEMERCEP AT PADA MESIN BERKAS
ELEKTRON
Suprapto, Sutadji S., Djoko SP., Djasiman daD Sudjatmoko
PPNY -BATAN. JL Babarsarl P.O. Bar 1008, Yogyakmta 55010
Abstrak
PERANCANGANSUMBERTEGANGANTINGGI500 kV/20 mA SEBAGAJTEGANGAN
PEMERCEPAT PADA MESJN BERKAS ELEKTRON. Telah dilakukan perancangan sumber tegangan
tinggi 500 kV120 mA sebagai tegangan pemercepat palla mesin berkas elektron. Sumber tegangan tinggi
dirancang dengan jenis "Generator Cockroji-Walton" Bagian utama generator cockroft-walton adalah :
Pelipattegangan,
Os/lator dll)'O don sumber dll)'O os/lator daya. Pelipat tegangan dirancang dengan
kopas/tor 0,22 ,.F/50 kV don dioda IN 4007 sebanyak 20 tingkot. Sedongkan os/lator daya dirancang
dengan komponen utama tabung triodo ITK 15-2 don sumber daya os/lator daya dirancang dengan lrafo
3 fase. Darl hasil rancangan menunjukkon bahwa tegangan masukan don rugi-rugi daya palla pelipat
tegangan adolah 12,8/4 kV don 503 Wan. Daya masukon pelipat tegangan soma dengan daya keluaran
os/lator daya yaitu 12,6 kw. Sedangkon daya yang harus disediakon oleh sumber daya os/lator daya
admah/~2kw.,
.
Abstract
DESIGN OF 500 kV/20 mA POWER SUPPLY FOR THE ELECTRON BEAM MACHINE
ACCELERATING VOLTAGE. The 500 kVI2O mAhigh voltage power supply for the electron beam
machine accelerating voltage has been designed. The BY power supply is a Cockrofi-Wmton type and
it's main components are voltage multiplier is designed using 20 stage of 0.22 ,.F/50 kV capasitor and IN
4007 diodes. Thepower oscillator is designed using ITK 15-2 triode and thepower supplyfor the oscillator
is designed using 3-phase transformer. The design shows that the voltage multiplier has input voltage of
12.814 kV, power lost of 503 watt and input power of 12.6 kw. The power which must be supplied by
power oscillator is 17.2 kw.,
PENDAHULUAN
S
eiring dengan perkembangan teknologi di
bidang industri terutama di negara-negara maju
telah banyak memanfaatkan Mesin Berkas Elektron
(MBE) untuk proses industri. Adapun industri
yang telah memanfaatkan MBE antara lain:
lndustri kabel, industri alat-alat kedokteran/
kesehatan, pelapisan kayu, keramik, karet
(komponen-komponen Mobil), busa dan lain-lain.
Sejak tahun 1984 PAIR BATAN te1ah
mulai menggunakan MBE untuk proses industri.
MBE yang digunakan adalah ripe EPS-300 buatan
Nissin -Japan dengan daya 300 keV/50 mA MBE
tersebut merupakan bantuan melalui proyek
UNDP. Kemudian pada tahun 1993 membeli
MBE yang bertenaga lebih besar, yaitu ripe GJ-2
buatan China. MBEjenis ini GJ-2 mempunyai daya
2 MeV/10
mA(2).
Selanjutnya
untuk
meningkatkan kemampuan penguasaan teknologi
mengenai MBE, dalam Pelita VI PPl'o'Y-BATAN
memprogramkan pembuatan MBE dengan daya
500 keVIIO IDA. Salah satu bagian utama dari
MBE ini adalah sumber tegangan tinggi yang
berfungsi sebagai tegangan pemercepat berkas
elektron. Untuk keperluan pembuatan MBE, mw
-
dilakukan pembuatan sumber tegangan tinggi.
Agar dalam pembuatan tersebut menghasilkan hasil
yang optimum sesuai dengan spesifikasi yang
diperlukan, maka dilakukan suatu perancangan
terlebih dahulu. Perancangan sumber tegangan
tinggi ini didasarkan daya yang diperlukan yaitu
500 kV/20 IDA
Untuk melakukan perancangan sumber
tegangan tinggi perlu diketahui-jenis-jenis sumber
tegangan tinggi yang banyak digunakan.Jenis-jenis
sumber tegangan tinggi ini antara lain: Generator
Van de Graa£: Generator Cockroft-Walton clan
transformator bertingkat (Cascade transformer).
Secara skematis ketiga sumber tegangan tinggi di
atas ditunjukkan pada gambar 1, 2 clan 3. Pada
generator Van de Graaf, untuk menghasilkan
tegangan tinggi didasarkan proses lucutan
gas/ionisasi (gambar I). Proses ionisasi ini
dihasilkan oIeh tegangan DC sekitar 30 kV yang
diberikan pada sisir korana bagian bawah. Ion-ion
basil ionisasi ditolak oleh sisir korona sehingga
menuju ke sabuk isolator clan menempel pada
permukaan sabuk isolator tersebut. Sabuk isolator
ini diputar oleh motor sehingga ion-ion ini terbawa
keatas sesuai arab gerakan sabuk isolator. Pada
bagian atas yaitu di dalam sungkup (elektrode)
PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV120 mA SEBAGAI
TEGANGANPEMERCEPATPADAMESIN BERKAS ELEKTRON
(Suprapto, dkk.)
14
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
dipasang sisir penghisap muatan sehingga ion-ion
yang menempel pads sabuk isolator mengalir ke
elektrode melalui sisir penghisap muatan. Dengan
demikian, elektrode yang berbentuk bola terisi
.
muatanlistriksesuaimuatanion-iontersebut.
4
Gambar 1. SkeInSgenerator Van de Graaf
Keterangan :
I. Sisir korona bawah
2. sabuk isolator
3. Sisir penghisap muatan
4. Sungkup(elektrode)
.
Pads generator Cockroft-Walton, tegangan
tinggi dihasilkan dengan menggandakan tegangan
sinusoidal yang dihasilkan osilator daya.
Penggandaan tegangan ini dilakukan oleh pelipat
tegangan (sambar 2). Besamya tegangan keluaran
generator Cockroft-Walton ditentukan oleh jumJah
tingkat pelipat tegangan clan amplitude tegangan
keluaran osilator days. Besarnya tegangan
keluaran ini dapat diatur dengan mengatur
amplituda tegangan keluaran osilator.
c
kl
..
....
.
~1
===-
~ i .rnr')
1:
. .. .
1
Gambar 2. Skema generator Cockroft-Walton
Keterangan :
1. Osilator days
2. Dioda tegangan tinggi
3. Kapasitor tegangan tinggi
4. Sungkup (elektrode)
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
TeknologiAkselerator dan Aplikasinya
Vol.1 No.1 Juli 1999: 14-18
Sedangkan pads transformator bertingkat
(Cascade transformer), tegangan tinggi dihasilkan
dengan menyusun transformator tegangan tinggi
secara seri (gambar 3). Selanjutnya untuk
mendapatkan tegangan tinggi searah dengan
menyearahkan tegangan bolak-balik yang
dihasilkan oleh transformator bertingkat tersebut.
Transformator tegangan tinggi yang diguna~
masing-masing mempunyai 3 kumparan yaitu :
kumparan primer, kumparan sekunder clan
kumparan terrier yang dihubungkan ke kumparan
primer transformator tegangan tinggi berikutnya.
Ketiga kumparan tersebut masing-masing harus
terisolasi dengan baik sesuai dengan tegangan
keluaran transformator tegangan tinggi tersebut.
~
I
1 J
rr-J
Mullican
Keterangan
1. Kumparan primer
2. Kumparan sekunder
3. Kumparan terrier
METODE PERHITUNGAN
ANALISIS RANCANGAN
DAN
Dalam perancangan sumber tegangan tinggi
meliputi : pemilihan jenis sumber tegangan tinggi,
penentuan komponen-komponen sumber tegangan
tinggi clankapasitasnya.
Pemilihan Jenis Somber Tegangan Tinggi
Dalam pemilihan jenis somber tegangan
tinggi
yang akan dibuat ads beberapa
pertimbangan. Pertimbangan-pertimbangan ini
adalah dari aspek penggunaan, ekonomi, teknologi
clan untuk mendapatkan komponen-komponen
yang diperlukan baik dari dalam maupun luar
negri. Dalam pemilihan jenis sumber tegangan
tinggi ini terutama didasarkan pad a aspek
penggunaan, teknologi yaitu pengalaman clan
penguasaan teknologi pembuatannya serta untuk
mendapatkan komponen-komponen
yang
diperlukan dalam pembuatan somber tegangan
tinggi tersebut. Generator Van de {jraaf sangat
15
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
menguntungkan untuk penggunaan tegangan
keluaran yang besar clan arus beban keeil. Untuk
pembuatan generator ini, kesulitannya yaitu untuk
mendapatkan sabuk isolator kualitas tinggi.
Sedangkan sumber tegangan tinggi jenis
transformator bertingkat menguntungkan untuk
penggunaan
arus beban besar daD tidak
memerlukan tegangan riak yang kecil. Untuk
pembuatan somber tegangan tinggi jenis
transformator bertingkat ini, kesulitannya pada
pembuatan transformator tegangan tinggi yaitu
pada pembuatan kumparan primer, sekunder daD
tertier dimana masing-masing kumparan hams
terisolasi terhadap tegangan tinggi sesuai dengan
tegangan keluaran dari transformator tersebut.
Dengan demikian. didasarkan pada beberapa aspek
tersebut diatas maka dipilih sumber tegangan tinggi
jenis Cockroft-Walton.
Penentoan
Komponen-komponen
Utama
Somber Tegangan TiDggi daD KapasitasDya
Dalam menentukan komponen-komponen
utama yang diperlukan untuk pembuatan sumber
tegangan tinggi perlu diperbatikan bagian-bagian
utama dari somber tegangan tinggi tersebut.
Bagian-bagian utama sumber tegangan tinggi jenis
Cockroft-Walton adalah : Pelipat tegangan,
Osilator daya clanSumberdaya anoda osilator daya.
Pelipat tegangan
Peli pat tegangan di rancang dengan
komponen utama kapasitor daD clioda tegangan
tinggi. Untuk menentukan jumlah kapasitor daD
dioda ini didasarkan dari jumlah tingkat pelipat
tegangan (n). Agar dapat menghasilkan tegangan
keluaran generator Cockroft-Walton sebesar 500
kV ditentukan n =20 tingkat. Setiap tingkat pelipat
tegangan terdiri atas 2 kapasitor daD 2 diocla
tegangan tinggi, sehingga cliperlukankapasitor daD
dioda tegangan tinggi masing-masing 40 buah.
Pelipat tegangan ini direncanakan menggunakan
kapasitor (C) 0,22 7~/50 kV. Untuk mendapatkan
tegangan keluaran 500 kV maka tegangan
maksimum (E) dan frekuensi (f) masukan pelipat
tegangan direncanakan maksimum masing-masing
adalah 15kV daD40 kHz.Kapasitortegangan tinggi
ini akan menerima beban tegangan 2 kali tegangan
masukan yaitu 30 kV, sedangkan frekuensi 40 kHz
ditentukan berdasarkan simulasi trafo frekuensi
tinggi dengan inti ferit. Dengan demikian
parameter-parameter
pelipat tegangan yang
menyebabkan rugi-rugi days dapat ditentukan.
Parameter-parameter ini antara lain: Tegangan
riak. penurunan tegangan akibat arus beban, arus
bocor melalui dioda daDamplituda masukan yang
dibutuhkan. Dalam penggunaan tegangan tinggi
sebagai tegangan pemercepat, tegangan riak
menyebabkan fluktuasi energi partikel yang
dipercepat.
Besarnya fluktuasi energi daD
frekuensinya adalah sebanding dengan besamya
tegangan riak daD frekuensinya sarna dengan
frekuensi tegangan riak tersebut
Tegangan riak (oV) dihitung dengan persamaan(3)
V
Penurunan tegangan ~!!J.
V) akibat arus beban
dihitung dengan persamaan( )
~V
L
n2
( 2 n3
3+26'
-f.C'
- !! )
(2)
Dengan data-data tersebut cliatasdidapatkan !!J.
V=
12.568 Volt
Untuk menentukan arus bocormelalui dioda
yang disebabkan karena clioda clioperasikan pada
frekuensi (f) 40 kHz terlebih dahulu clitentukan
reaktansi (Xc) dari dioda. Dari pengukuran dioda
IN 4007 rata-rata mempunyai kapasitansi arab
mundur 16 pF. Harga Xc tiap-tiap cliodadihitung
dengan persamaan
1
(3)
Xc
= 21CfC
= 248.680 ohm
Sedangkan arus bocor melalui clioda1 dihitung
berclasarkanhukumohmsebagaiberikut
V
(4)
Ie
= Xc
Jika tiap-tiap dioda dioperasikan pada tegangan (V)
125 volt, maka arus bocor melalui dioda adalah
0,503 mA. Dioda tegangan tinggi ini dioperasikan
pada tegangan arab mundur 15kV, sehingga untuk
1 rangkaian dioda tegangan tinggi tersusun dari 120
buah dioda IN 4007 secara serio Amplitudo
tegangan masukan (E) dihitung dengan persamaan
Vmaks =2nE-I:J.V
(4a)
&tau
E
= Vmakr2.n+
I:J.V
(4b)
Vmaks adalah tegangan maksimun keluaran
generator Cockcroft-Walton, sedangkan jumlah
tingkat maksimum (n maks) ditentukan dengan
mendeferensialkan persamaan 4a sebagai berikut
PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV120 mA SEBAGAI
TEGANGAN PEMERCEPA T PADA MESIN BERKAS ELEKTRON
(Suprapto. dkk.)
=-L
n(n+l)
(1)
f.C'
2
dimana arus beban (1) adalah 20 mA, jika
harga-harga tersebut diatas dimasukkan dalam
persamaan (I) didapatkan tegangan riak (oV)
sebesar 471,3 Volt
~
U
d Vmaks
dn
-
0
(5)
16
Volume 1 Nomor 1 Juri 1999
Dengan demikian diperoleh persamaan
untuk menentukan jumlah tingkat maksimum
sebagai berikut
(6)
nmaks
= $If
Untuk tegangan keluaran Vmaks = 500 kV,
didapatkanE sebesar 12,814kV danjumlah ringkat
maksimum diclapatkan 74 ringkat. Jadi dengan
perkiraan amplituda tegangan masukan pelipat
tegangan 15 kV clanjumlah tingkat 20 (jumlah
tingkat yang direneanahn) adalah memenuhi
perhitungan.
OsiJator daya
Untuk menghasilkan tegangan sinusoidal
yang mempunyaiampliwdo15kV padafrekuensi
40 kHz digunakan osilator clara. Osilator clayaini
direneanakan dibangun dengan komponen utama
tabung trioda ITK 5-2 buatan Thomson tubes
electroniques Perancis. Pemilihan tabung trioda
ini didasarkan atas claya keluaran osilator clan
sistem pendinginan yang diperlukan. Kebutuhan
clara yang harus dipenuhi oleh osilator clara (P)
adalah
ISSN 1411-1349
Sumber daya osiJator daya
Osilator clara agar dapat beroperasi
memerlukan sumber clayaanoda berupa tegangan
DC. Untuk osilator yang dibangun dengan
komponen utama tabung trioda, sumber claya ini
harus dapat memenuhi eatu clara anoda tabung
trioda tersebut. Besamya tegangan clanarus anoda
harus sesuai dengan spesifikasi tabung trioda clan
clara keluaran osilator. Daya keluaran osilator (P)
adalah(4)
P
PI = Daya keluaran sumber
tegangan tinggi sebesar 1OkW
P2 = Rugi-rugi claya pada pelipat
tegangan
P3 = Rugi-rugi clara pada traCe
frekuensi ringgi
Rugi-rugi clara pada pelipat tegangan (P2)
terdiri atas rugi-rugi daya akibat penurunan
tegangan keluaran yang disebabkan arus beban
(P21 ) clanrugi-rugi clara akibat arus bocor melalui
dioda (P22). Besarnya rugi-rugi clara ini adalah
P21 = I DV
clan P22= Ie Vmaks
= 251,36 Watt
= 251,5 Watt
P2 = P21 + P22
= 502,86 Watt
didasarkan simulasi efisiensi trafo (1') antara 0,75
sampai 0,85, maka untuk perhitungan ini diambilll
= 0,8. Rugi-rugi clara paclatrafo (p3 ) adalah
P3 = (I 0,8) x (pl+ P2)
= 2100,6 Watt
2,1 kW
Jadi kebutuhan claya yang harus dipenuhi
oleh osilator clara (P) yaitu clara keluaran sumber
tegangan tinggi ditambah rugi-rugi clara pada
pelipat tegangan yang besamya adalah 12,6 kW.
Daya tersebut minimal harus sarna dengan clara
keluaran osilator clara.
-
-
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
TeknologiAkselerator clanAplikasinya
Vol.1 No.1 Juli 1999: 14-18
(6a)
= t.J2 .
(6b)
Vmu
dimana
Vm
Vm = Amplitudo tegangan keluaran
osilator maksimum
Irms
=
Arus Anoda rerata sarna
dengan Ide
Harga Vmmaksimum sarnadengan tegangan anoda
yaitu tegangan DC yang diberikan oleh sumber
clara osilator. Maka arus anoda rerata adalah
P
lrms
P=PI+P2+P3
dimana
= Vrms ;r Imu
dan
=
tv'2. Vm
= 1,72A.
Dengan demikian clara yang harus disediakan
untuk eatu claya anoda adalah
P = Vdc . I de
= 17.2kW
KE SIMP ULAN
Dari basil perhitungan clan anaIisis
raneangan clapatdisimpulkan bahwa :
1. Pelipat tegangan terdiri dari 20 tingkat
dengan penurunan tegangan clan rugi-rugi
clara masing-masing 12.568 Volt clan 503
Watt
2. Osilator clara direneanakan dengan tabung
trioda ITK 15-2 dengan eatu clayaanoda clan
clara keluaran masing-masing 10kV clan 12,6
kW.
3. Sumber clara osilator clara direneanakan
dengan traCe3 rase dengan tegangan clanclara
keluaran minimal 10kV clan 17,2kW
Dengan basil peraneangan ini diharapkan
dapat digunakan untuk pedoman dalam pembuatan
sumber tegangan tinggi 500 kV/20 mA
UCAPAN TERIMA KASm
Pad a kesempatan
ini penulis
menyampaikan rasa terima kasih yang
sebesar-besamyakepaclastar teknisi, khususnya
17
ISSN 1411-1349
Volume 1 Nomor 1 Juli 1999
saudaraHeri Sudannanto, Untung Margono, Dwi
Mulyanto dan Suhartono yang telah berpartisipasi
dalam kegiatan perancangandan simulasi sumber
tegangan tinggi ini, sehingga dapat terlaksana
sebaik-baiknya.
DAFTAR PUSTAKA
1. RAHAYU CHOSDU, dkk., "Pengalaman
Mengoperasikan dan Merawat Mesin Berkas
Elektron EPS-300", Presiding Seminar
Sehari
Prospek Rekayasa daD Aplikasi
Mesin Berkas EIektron Untuk Industri di
Indonesia, PAIR-BATAN, Jakarta 2 Agustus
1990.
2. SUDJATMOKO,
dkk., "Akselerator
Elektron GJ-2, Komponen Utama dan
Prinsip KeJjanya", MakaJah disajikan
pada
Pertemuan Tim Rekayasa Mesin
Berkas EIektron, PAIR-BATAN, Jakarta 25
Mei 1993.
3. CRAGGS, J.D, and MEEK, J.M., "High
Voltage.
Laboratory
Technique",
Butterworths, Ltd, London, 1953
4. MILMAN, J. and HALKIAS, CHRISTOS
C., "Electronic Devices and Circuits", Mc
Graw Hill, Inc, 1967
5. SUMIHAR HUT APE A, "Pengalamam
Pembuatan Generator Van de Graaff
BATAN Yogyakarta", Pusat Penelitian
Tenaga Atom Gama, Yogyakarta, 1975.
TANYAJAWAB
Sudorti
kalau tidak salah. sumber tegangan tinggi
jenis Cokroft-Walton itu sudoh penJah dibuat di
p PNY wak/u /alu. Yaug dirancang akan dihuat ini.
apakah mer"pakan pengembangan
Generator
CocJa-oft-Walton yang sudah pernah dibuat dill",
ataukah dengan rancangan sedikit lain ? Apa segi
keuntungannya.
Suprapto
1. Betul Generator Cockroft- W aJtontelah dibuat
2.
3.
4.
di PPNY (untuk implantasi ion dan ge~erator
neutron)
Yang dirancang ini bukan pemgembangannya, melainkan membuat lagi dengan daya
jauh lebih besar yaitu 500 kV/ 20 mA,
sedangkanyang telah dibuat hanya 125kW,5
mA dan 125 kWI.,5 mA
Perbedaan rancangan dan keuntungannya
dengan yang sudah ada adalah daya keluaran
lebih besar, frekuensi operasi lebih tinggi dan
ripple lebih kecil pada arus beban yang lebih
besar
Sumber tegangan tinggi
,..
PERANCANGAN SUMBER TEGANGAN TINGGI 500 kV120mA SEBAGAI
TEGANGAN PEMERCEPAT PADA MESIN BERKAS ELEKTRON
(Suprapto. dkk.)
18