BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Yang
dimaksud dengan tegangan
tinggi dalam dunia teknik tenaga listrik (elektrik power engineering) adalah
semua tegangan yang dianggap cukup tinggi oleh kaum teknisi listrik sehingga diperlukan pengujian dan pengukuran tegangan
tinggi yang semuanya bersifat khusus
dan memerlukan teknik-teknik tertentu (sujektif), atau dmana gejala-gejala
tegangan tinggi mulai terjadi (objektif). Batas yang menyatakan kapan suatu
tegangan dapat dikatakan tinggi H.V (high Voltage), dan kapan sudah ahrus
dsebut tinggi sekali E.H.V (Extra High Voltage) serta Ultra tinggi U.H.V (Ultra High Voltage).
Pengetahuan
mengenai tegangan tinggi telah mengalami perkembangan yang pesat. Terdapat tiga
jenis tegangan tinggi yaitu tegangan tinggi bolak-balik (AC), tegangan tinggi
searah (DC), dan tegangan tinggi impuls. Studi mengenai tegangan tinggi
memiliki cakupan yang cukup luas seperti pembangkitan tegangan tinggi, teknik
isolasi, gejala tembus listrik fenomena tegangan tinggi, medan listrik. Tegangan
tinggi memiliki berbagai manfaat dan aplikasi antara lain untuk sumber tenaga
listrik untuk mensuplai kebutuhan listrik, pengujian bahan isolasi, kebutuhan
studi dan penelitian di Laboratorium, penyerap elektrostatis, pembangkit
plasma, dan lain – lain.
Untuk
menghasilkan tegangan tinggi dapat menggunakan peralatan pembangkit tegangan
tinggi bolak-balik (AC), peralatan pembangkit tegangan tinggi searah (DC) dan peralatan
pembangkit tegangan tinggi impuls. Akan tetapi, peralatan pembangkit tegangan
tinggi yang ada sekarang ini masih dalam sistem yang besar, susah dalam
pengoperasiannya, dan memakan biaya yang mahal. Selain itu pembangkit tegangan
tinggi AC yang ada umumnya memiliki frekuensi rendah (50 Hz). Untuk itu
dibutuhkan sebuah alat pembangkit tegangan tinggi AC frekuensi tinggi yang
memiliki dimensi tidak terlalu besar, mudah dioperasikan, dan tidak memakan biaya
yang mahal.
1.2 Rumusan
Masalah
1) Teknik
pembangkitan tegangan tinggi bolak-balik dengan frekuensi rendah dan frekuensi
tinggi.
2) Teknik
pembangkitan tegangan tinggi ac dengan menggunakan kumparan tesla.
1.3 Manfaat
1) Untuk
menambah wawasan mahasiswa mengenai Teknik Pembangkitan Tegangan Tinggi AC.
2) Untuk
mengetahui bagaimana teknik pembangkitan dan pengujian tegangan tinggi
bolak-balik dari beberapa frekuensi.
3) Agar
mahasiswa mampu memahami konsep dari pembangkitan tegangan tinggi ac dengan
menggunakan kumparan tesla.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Dasar Teori
Bentuk tegangan tinggi yang dibangkitkan dapat berupa:
Tegangan AC, DC (konstan)atau Impuls. Tegangan AC dan DC digunakan untuk
transmisi daya listrik, juga dipakaiuntuk tujuan pengujian. Sedangkan tegangan
tinggi Impuls dibutuhkan untuk investigasirenspons isolasi pada system
transmisi (termasuk peralatan) terhadap gangguan transienakibat Surja hubung
dan surja petir.Pembangkitan tegangan tinggi AC dapat dilakukan dengan
menggunakan Generator sinkron (motor-driven synchronous generator), namun
kebanyakan menggunakan trafo ujisatu phasa
yang disupply oleh tegangan distribusi (110 V atau 240 V, 50/60 Hz).
Untuk keperluan pengujian tegangan tinggi, dituntut tegangan yang
naik secara perlahan-lahan( smooth and
gradually). Untuk itu tegangan input distribusi yang merupakan fixed
mainsVoltage terhubung dengan variable-voltage transformer yang berfungsi
sebagai pengatur tegangan pada sisi primer trafo uji tegangan tinggi.
2.1.1. Trafo uji
Tegangan
tinggi bolak balik diperoleh dari suatu trafo yang disebut trafo uji, yaitu
trafo satu fasa yang mempunyai perbandingan belitan yang jauh lebih besar
daripada trafo daya. Rangkaian pembangkitan tegangan bolak balik ditunjukkan
pada gambar 1.
Gambar 1.
Rangkaian pembangkit tegangan tinggi ac
Bagian utama
trafo uji adalah isolasi, yang digunakan untuk mengisolir kumparan tegangan
tinggi dengan inti, tangki, dan kumparan tegangan rendah. Harga suatu trafo uji
terutama ditentukan oleh harga isolasinya. Isolasi ini dirancang agar mampu
memikul tegangan maksimum yang dibangkitkan. Saat trafo uji bekerja, terjadi
terpaan elektrik pada isolasinya. Tebal isolasi yang digunakan pada trafo uji
sebanding dengan terpaan elektrik yang dipikul isolasi tersebut. Jika tepaan
elektrik yang dipikul suatu isolasi semakin besar, maka isolasi harus semakin
tebal sehingga volume isolasi semakin banyak. Oleh karena itu, terpaan elektrik
pada isolasi pada trafo uji harus diusahakan sekecil mungkin agar isolasi yang
digunkan juga sesedikit mungkin. Konstuksi lilitan dan isolasinya harus
dirancang sedemikian rupa sehingga dihasilkan terpaaan elektrik merata.
Untuk
membangkitkan tegangan tinggi beberapa ratus kV, lebih menguntungkan jika
beberapa unit trafo dihubungkan secara kaskade. Pada gambar 2 ditunjukkan
susunan dan hubungan tiga unit trafo yang dihubungkan secara kaskade.
Gambar 2.
Trafo uji susunan kaskade
Dalam hubungan
kaskade ini perlu diperhatikan kemampuan isolasi memikul tegangan ke tanah dan
kapasitas kumparan primer masing-masing unit trafo. Misalnya ada N unt trafo
masing-masing bertegangan nominal V1/V2 dan kumparan
sekundernya masing-masing berkapasitas S1. Jika trafo-trafo ini
dihubungkan secara kaskade maka kapasitas kumparan primer masing-masing trafo
minimal adalah sebagai berikut:
Sn = N x S1 – (n-1)
S1
Sedang isolasi
trafo ke-n harus didukung dengan isolator tambahan yang mampu memikul tegangan
sebesar:
Vi-n = (n-1) x V2
Trafo tesla
adalah pembangkit tegangan tinggi bolak-balik frekuensi tinggi yang digunakan
untuk melihat ada tidaknya keretakan dan kantong udara pada isolator. Rangkaian
trafo ini ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Trafo
Tesla
Belitan primer
dirancang dapat memikul tegangan sampai 10 kV, sedangkan belitan sekundernya
dapat membangkitkan tegangan 500-1000 kV. Belitan primer dicatu oleh tegangan
dc atau ac melalui kondensator pemuat C1. Jika sela F dipicu, maka
terjadi osilasi frekuensi tinggi pada rangkaian primer. Arus primer
berfrekuensi tinggi ini menginduksikan tegangan berfrekuensi tinggi di kumparan
sekunder. Frekuensi osilasi tergantung kepada harga C1, L1,
M, L2, dan C2. Osilasi akhirnya teredam karena adanya
tahanan kumparan R1 dan R2.
2.1.2. Single step up
Transformers
Rangkaian
listrik dasar dari pada pembangkitan tegangan tinggi (test-set) untuk
menghasilkantegangan tinggi AC frekwensi daya hingga 200 kV diperlihatkan pada
gambar1.
Gambar
4
Tegangan
input (main supply) sebelum disupply ke kumparan primer trafo uji,
terlebihdahulu melalui variable transformer (yaitu: variable voltage toroidal
auto-transformer,variac), rating dari Test-set commercial berupa tegangan out put dalam kV dan daya
dalam kVA. Adapun konstruksi dari test-set dibagi kedalam 2 katagori, yaitu:
(1)
Portable
unit,
Dengan
tegangan out put hingga 50 kV dan rating daya 1-2 kVA
(2)
Large fixed unit,
Dapat beroperasi hingga 200 kV, rating
daya output nya besar dan
ditentukan oleh factor-faktor fisik dan berat, yang dapat mecapai 100 kVA
Jika terjadi flash over, atau breakdown internal pada obyek uji, maka
sudah barangtentu
transformer sebagaimana gambar 1. akan mengalami kondisi over load dan short
circuit.Konsekwensinya, isolasi dari trafo uji harus didesign tahan terhadap
tegangan tinggi surjayang menyebabkan
kegagalan pada obyek uji.
Tegangan tinggi bolak-balik diperoleh dari suatu trafo satu fasa
dengan perbandingan belitan yang jauh lebih besar daripada trafo daya yang
biasa disebut trafo uji. Belitan primer trafo dihubungkan ke sumber tegangan
rendah bolak-balik, 220VAC/50 Hz. Belitan sekundernya membangkitkan tegangan
tinggi dalam orde ratusan kilovolt.
Gambar 5 Tegangan keluaran belitan sekunder
Rangkaian pembangkit tegangan tinggi
bolak-balik pada Gambar 2 membangkitkan tegangan tinggi bolak-balik pada
frekuensi jala-jala (50/60 Hz).
2.2.
Teknik
Pembangkitan Dan Pengujian Dengan Tegangan Tinggi Bolak-Balik Frekuensi Rendah
2.2.1.
Keperluan dan Fungsi Pengujian
Sebagai
dinyatakan lebih dahulu, dalam praktek operasi system sehari-hari mungkin
terjadi tegangan lebih yang ditimbulkan oleh factor-faktor dalam system itu
sendiri. Tegangan lebih dalam ini dapat dibagi menjadi dua kategori :
a. Kenaikan
amplituda tegangan bolak balik dengan frekuensi rendah, disebut tegangan lebih
stasioner.
b. Tegangan
lebih peralihan (transien),
Kenaikan tegangan dengan frekuensi
rendah dapat ditimbulkan, misalnya oleh putusnya kawat tegangan tinggi yang
panjangnya melebihi suatu batas tertentu, atau karena adanya hubungan singkat
pada kawat-kawat transmisi antara satu atau dua fasa dengan tanah. Oleh Karena
hal ini pengujian tegangan tinggi bolak balik yang berfrekwensi rendah
diperlukan, yaitu untuk menyelidiki apakah peralatan listrik yang terpasang
pada jaringan tegangan tinggi dapat menahan tegangan lebih tersebut untuk waktu
terbatas.
2.2.2.
Transformator Pembangkit Tegangan Tinggi
untuk Pengujian
a.
Ciri-ciri Transformator penguji
·
Perbandingan lilitan besar
·
Kapasitas kVA kecil
·
Satu phasa (kecuali keperluan khusus
perlu 3 Phasa)
·
Salah satu ujung lilitan di ketanahkan
·
Perencanaan isolasi hanya diperhitungkan
sampai tegangan uji maksimum.(Tidak diharapkan menerima OverVoltage)
·
Konstruksi sedemikian sehingga gradien
tegangan (dV/dt) seragam dan osilasi dapat diabaikan
b.
Kontruksi Transformator Penguji
Oleh
karena kapasitasnya yang rendah dan waktu pemakaiannya yang pendek (50 menit
sampai 1 jam), maka praktis tidak ada pendinginan trafo tersebut seperti pada
trafo tenaga. Ciri-ciri Kontruksi trafo uji antara lain:
·
Pengoperasian singkat à tidak ada
masalah pendinginan trafo
·
Sistem Isolasi Minyak
·
Inti umumnya Core Type
·
Lilitan berbentuk (50-60 kV)
Lilitan
berbentuk “Polylayer Polyline Wound Disc Winding” dipakai untuk trafo yang
tegangannya kurang dari 50-60kV, lihat gambar 6. Lilitan Primer digulung di
Inti, sedangkan lilitan sekundernya digulung di luar lilitan primernya.
Distribusi tegangan tidak linier, jadi ditambahkan perisai statis)
Gambar 6
–
Fortesque (100 kV)
Untuk mendapatkan isolasi yang ekonomis
dan gradien tegangan yang seragam maka dililit cara Fortesque. Primer di dekat
inti, lilitan sekunder menjauh membentuk kerucut. Perhatikan gambar 7.
Gambar
7
–
Fischer
Gulungan primer dililitkan dekat inti, sedangkan gulungan sekunder dililtkan berturut2 diluarnya sehingg tegang tertinggi yang terjauh dari inti. Perhatikan gambar 8.
Gulungan primer dililitkan dekat inti, sedangkan gulungan sekunder dililtkan berturut2 diluarnya sehingg tegang tertinggi yang terjauh dari inti. Perhatikan gambar 8.
Gambar
8
2.2.3.
Karateristik Transformator Penguji
Karena
lilitan banyak disebabkan perbandingan kumparan besar maka kapasitansi tersebar
(Distributed Capacitance) besar. Arus pemuat (excitasi) besar maka hasinya
adalah Arus Leading, akibatnya tegangan menjadi naik/tinggi daripada tegangan
yang ditentukan perbandingan lilitan. Cara mengatasiny yaitu dengan membuat
sela udara di dalam inti dan membesarkan arus pembangkit.
Berhubung
dengan kapasitansi tersebar (Distributed Capacitance) besar dan adanya reaktansi
yang besar maka timbullah Resonansi yang frekuensinya mempunyai
kebesaran beberapa ratus Hertz. (Lihat Tabel). Jika bentuk gelombang tidak
sempurna, maka akan timbullah perubahan bentuk yang lebih besar lagi yang
ditimbulkan resonansi diatas. Hala ini berakibat bahwa tegangan yang dihasilkan
tidak lagi dapat diperkirakan dari perbandingan kumparan. dan cara mengatasinya
yakni dengan cara Pembangkit gelombang sinus dan meredam resonansi atau dengan filter.
TABEL FREKUENSI RESONANSI
|
Tegangan
Sekunder Pada Transformator
(kV)
|
Kapasitas
(kVA)
|
Frekuensi Resonansi
(Hertz)
|
Catatan
|
|
500
|
300
|
315
255
|
Sebuah
terminal dibumikan dengan 6 buah isolator gantung paralel
|
|
150
|
2
|
340
220
|
Kedua
terminal tidak dibumikan
Sebuah
terminal dibumikan
|
|
77(P.T.)
|
0.2
|
1250
750
|
Kedua
terminal tidak dibumikan
Sebuah
terminal dibumikan
|
|
40
|
4
|
1000
|
Edua
terminal tidak dibumikan
|
Tabel
1
2.3.
Teknik
Pembangkitan Dan Pengujian Dengan Tegangan Tinggi Bolak-Balik Frekuensi Tinggi
Frekuensi tinggi tegangan tinggi
dibutuhkan untuk rectifier supply daya d.c. dan menggunakan transformator
frekuensi tinggi. Keuntungan transformator
frekuensi tinggi:
·
tidak diperlukan inti besi pada
transformer sehingga menghemat biaya dan ukuran.
·
output gelombang sinus murni.
·
peningkatan tegangan
lambat melalui beberapa siklus sehingga tidak ada kerusakan karena pergantian
gelombang (sentakan).
·
distribusi seragam tergangan melewati
lilitan koil karena pembagian koil stack menjadi sejumlah unit.
2.3.1. Keperluan
dan Fungsi Pengujian
Untuk mengetahui adanya kerusakan-kerusakan
mekanis (keretakan, kantong udara, dsb) pada isolator terutama porselen,
dipakai tegangan tinggi yang berfrekuensi tinggi. Tegangan tinggi diperlukan
untuk memungkinkan adanya lompatan api, sedangkan frekuensi tinggi diadakan
untuk menyelenggarakan rambatan pada kulit isolator yang di uji (skin effect).
Oleh karena frekuensinya tinggi, maka penembusan tidak akan terjadi, sebab arus
bocor yang timbul akan melalui permukaan isolator tersebut. Untuk mudahnya
dapat dikatakan bahwa apabila apiny terlihat dari luar, maka isolator yang
diuji tidak mempunyai keretakan, sedangkan bila apinya tidak terlihat, maka
isolator tersebut mempunyai keretakan atau kantong udaradidalamnya, artinya
tidak baik.
2.3.2. Gulungan
Tesla
Alat
yang dipakai untuk membangkitkan tegangan bolak-balik frekuensi tinggi guna
keperluan diatas disebut gulungan tesla. Pada pokoknya sirkuit dasarnya
dinyatakan pada gambar 9.
Gambar
9
Sela
pencetus S menutup sirkuit primer apabila C1 yang mendapat tenaga dari sebuah
sumber mencapai tegangan tertentu. Oleh karena itu maka timbullah osilasi
sirkuit primer, yang kemudian dipindahkan ke sirkuit kedua berhubung dengan
adanya ikatan (coupling). Oleh karena pemindahan tenaga, maka tegangan primer
menjadi turun, sedangkan tegangan skunder naik. Oleh karena ikatan yang sama
maka proses diulangi tetapi dengan jurusan berlawanan. Demikian seterusnya,
meskipun demikian fenomena ini akhirnya berhenti juga karena peredaran tahanan
(R1 dan R2).
Apabila L1C1
= L2C2, maka tegangan sekunder adalah:
V2 =
Φ
……. (4.1)
Dimana:
V2 = tegangan primer
L12 = “mutual coupling” gulungan sekunder
terhadap primer
L21 = “mutual coupling” gulungan primer
terhadap sekunder
L21 > L12
Φ = є-б1t
cos
- є-б2t
cos
…….(4.2)
k =
; k’ =
ω2
> ω1
б2 >
б1
б1’
=
;
б1
=
;
T = 2Ï€
= 2Ï€
……
(4.3)
Rumus (4-2) menyatakan adanya dua buah frekuensi, yang
dinyatakan dalam gambar 4.2. Persamaan (4-1) dapat ditulis sebagai :
Gambar
10
Dimana “p” menyatakan suatu efisiensi tegangan, yang juga
mennyatakan hubungan tenaga yang tersimpan dalam sirkuit primer dan sekunder.
U2 = p2 U1 …. (4-5)
Dimana U1 = ½
C1 V12 ….
(4-6)
U2 = ½ C2
V22 ….
(4-7)
Gulungannya biasanya dipasang
dalam sebuah tabung porselen. Dengan demikian tidak terdapat bahaya karena
tegangan tinggi. Sela udaranya diadakan oleh dua buah bola yang berputar untuk
menghindarkan keausan pada suatu titik tertentu. Pada panel pengatur saklar
utama, saklar untuk penyediaan tenaga, voltmeter, ampermeter, lampu yang
menunjukkan bekerja atau tidaknya alat tersebut, dan terminal tanah untuk
pengamanan. Contoh kontruksi transformator tesla 1500 kV dengan frekuensi 50.000
Hz tertera pada gambar 11. tabung porselennya terletak diatas.
1 = tabung porselen 4 =
sela
2 = gulungan frekuensi
tinggi 5 = roda berputar
3 = kapasitor 6
= tabung frekuensi rendah
Gambar
11
2.4.
Perancangan Pembangkit Tegangan
Tinggi AC Frekuensi Tinggi Dengan Kumparan Tesla Menggunakan Inverter Jenis
Push-Pull
2.4.1
Kumparan Tesla
Secara
sederhana kumparan Tesla dapat dibuat dengan beberapa komponen dasar seperti terlihat
pada Gambar 12. Terdiri atas trafo yang membangkitkan tegangan tinggi sekitar 5
– 30 kV. Trafo tegangan tinggi ini akan memuati kapasitor primer (CP) melalui
kumparan primer (LP). LP terdiri dari beberapa lilitan kawat tebal yang
mempunyai hambatan rendah.
Gambar 12. Skema
dasar kumparan Tesla
Ketika CP telah termuati maka beda
potensial diantara elektroda-elektroda celah udara (spark gap) cukup
tinggi sehingga terjadilah aliran arus dan mengakibatkan terjadinya breakdown
udara. Saat spark gap terhubung, CP dan LP akan membentuk rangkaian
resonansi dengan frekuensi resonansi yang besarnya ditentukan oleh nilai CP dan
LP.
Medan
elektromagnet yang dihasilkan oleh LP sebagaian akan diinduksikan ke kumparan
sekunder (LS). LS adalah kumparan yang terbuat dari kawat tipis dengan jumlah
lilitan tertentu. Ujung atas dari LS akan dihubungkan dengan toroid yang
mempunyai kapasitansi tertentu sedangkan ujung bawah akan terhubung dengan
tanah (ground). LS dan toroid akan membentuk rangkaian resonansi. Jika
frekuensi resonansi LS dan toroid cukup dekat dengan frekuensi rangkaian primer
maka pada toroid akan terbangkitkan tegangan ekstra tinggi. Tegangan ekstra
tinggi yang terbangkitkan cukup untuk membuat terjadinya breakdown udara
dan hal ini ditandai dengan adanya flashover yang keluar dari permukaan
toroid ke udara sekitarnya. Dan ketika terjadi discharge pada kapasitor
sekunder (toroid), spark gap akan terbuka dan proses yang sama akan
terulang lagi.
2.4.2 Prinsip
Kerja Kumparan Tesla Dengan Inverter Push - Pull
Pada
umumnya kumparan Tesla menggunakan prinsip kopling magnetik, dimana antara
kumparan primer dan sekunder Tesla terhubung secara magnetik. Kumparan Tesla
dengan prinsip kopling langsung belum begitu popular di seputar pengetahuan
mengenai kumparan Tesla, yang umumnya menggunakan prinsip kopling magnetik.
Tesla kopling langsung memang bukan hal baru dalam dunia kumparan Tesla, tetapi
hal ini jarang terlihat. Jadi kumparan Tesla terhubung secara langsung dengan
piranti semikonduktor (inverter push – pull).
Skema
Tesla kopling langsung (direct coupled ) dapat dilihat pada gambar 13.
Gambar 13.
Kumparan Tesla Dengan Inverter Push – Pull
Gambar
2.2 di atas adalah skema kumparan Tesla menggunakan inverter push – pull.
Dari gambar di atas kumparan Tesla tampak terhubung secara langsung dengan
inverter push – pull. Kumparan Tesla tampak seperti rangkaian RLC seri.
Hal ini berdasarkan adanya kapasitansi toroid dengan ground (tanah).
Jadi dalam kumparan Tesla terdapat nilai, resistif induktif, dan kapasitif. Kumparan
Tesla didrive secara langsung oleh piranti semikonduktor yaitu inverter
push - pull. Rangkaian RLC seri memiliki impedansi relative kecil saat
mencapai frekuensi resonan. Ketika frekuensi osilator sama dengan frekuensi
pada kumparan Tesla maka akan beresonansi. Ketika mencapai kondisi resonan maka
reaktansi induktor (XL) sama besar dengan reaktansi konduktor (XC) (saling
meniadakan) sehingga impedansi yang terjadi adalah Z = R, jadi nilai impedansi
RLC pada Tesla saat kondisi resonan adalah sama dengan nilai resistif. Nilai
resistif ( R ) pada kumparan Tesla adalah resistansi diri pada konduktor yang
memiliki nilai sangat kecil karena nilai resistif sangat kecil maka arus yang
mengalir pada kumparan Tesla optimal. Kemudian dengan adanya nilai induktor
yang sangat besar dan nilai kapasitor yang sangat kecil sehingga akan
menghasikan korona pada ujung toroid kumparan Tesla. Hal ini dapat dijelaskan
sebagai berikut :
Gambar 14. Rangkaian R-L-C pada kumparan
Tesla
Dari
gambar 14 menunjukkan kumparan Tesla merupakan sebuah rangkaian R-L-C seri.
Pada rangkaian R-L-C seri berlaku rumus impedansi sebagai berikut:
Z
=
R + j( XL - XC) .......(2.1)
Z=
R j(wL-
1/ wC) .......(2.2)
Ketika
mencapai nilai resonan maka nilai XL=XC, dari rumus di atas maka dapat dilihat
bahwa XL dan XC akan saling meniadakan sehingga dapat dirumuskan sebagai
berikut:
XL
= XC
Z = R+ j(ωL-
) , jadi
Z=R……………….….....……………..…………...……….(2.3)
Seperti
yang telah dijelaskan di atas bahwa nilai R yang dimaksud adalah resistansi
yang terdapat pada induktor yang nilainya sangat kecil. Karena nilai R sangat
kecil maka arus (i) yang mengalir pada rangkaian sangat besar. Pada kumparan
Tesla saat kondisi resonan nilai arus yang mengalir besar karena nilai
impedansi yang merupakan nilai resistansi kumparan Tesla sangat kecil sehingga
tegangan yang dihasilkanpun besar. Dengan adanya nilai induktansi induktor yang
sangat besar maka tegangan yang dihasilkan pada kumparan Tesla menjadi sangat
besar. Karena nilai kapasitor (toroid) sangat kecil sehingga tegangan ekstra
tinggi yang terbangkitkan cukup untuk membuat terjadinya breakdown udara
dan hal ini ditandai dengan adanya flashover yang keluar dari permukaan
toroid ke udara sekitarnya.
2.4.3 Lilitan
Kumparan Tesla
Nilai
induktansi lilitan primer dihitung menggunakan
rumus
berikut:
L
=
….. (2-4)
dimana
:
L
adalah
induktansi sekunder (mH)
R
adalah
jari-jari kumparan sekunder (cm)
H
adalah
tinggi kumparan sekunder (cm)
N
adalah
jumlah lilitan
2.4.4 Toroid
Toroid
terbuat dari bahan konduktor yang dibentuk menyerupai kue donat. Toroid pada
kumparan Tesla berfungsi sebagai kapasitor dengan sisi positifnya toroid itu
sendiri dan sisi negatifnya adalah tanah (ground), sedangkan yang
berfungsi sebagai dielektrik adalah udara. Nilai kapasitansi toroid ditentukan
dengan rumus 2.5.
Gambar 15. Toroid yang berfungsi sebagai
kapasitor
CT
= 28
.
…. (2.5)
dimana
:
CT
adalah
kapasitansi toroid (pF)
d1
adalah
diameter toroid (cm)
d2
adalah
diameter selubung (cm)
2.4.5
Inverter
Fungsi
inverter adalah mengubah tegangan masukan DC menjadi tegangan keluaran AC yang
simetris dengan amplitudo dan frekuensi tertentu. Tegangan outputnya dapat tetap
maupun variabel dengan frekuensi tetap maupun variable pula.
2.4.5.1.
Prinsip Kerja
Inverter
Inverter dapat dibuat dengan mengikuti
blok diagram pada Gambar 16. Sumber DC yang diperlukan inverter berasal dari
tegangan AC yang disearahkan. Untuk mendapatkan keluaran yang dikehendaki
digunakan rangkaian kontrol. Rangkaian kontrol ini berfungsi untuk mengatur
frekuensi dan amplitudo gelombang keluaran.
Gambar 16. Blok diagram inverter
Penyearah
berfungsi untuk menghasilkan sumber tegangan DC yang diperlukan sebagai masukan
inverter, karena sumber tegangan yang digunakan adalah sumber tegangan jala -
jala AC 1 fasa dari PLN. Inverter mode saklar ( switch mode inverter )
merupakan rangkaian utama dari sistem, berfungsi membalikkan tegangan searah
dari penyearah ke tegangan AC. Disebut mode saklar karena kerjanya menggunakan
teknik pensaklaran (switching). Sedangkan rangkaian kontrol berfungsi
untuk mengendalikan proses switching yang terjadi pada inverter mode saklar.
Pada perancangan pembangkit tegangan tinggi menggunakan kumparan Tesla ini
digunakan inverter Dorong Tarik ( Push Pull / Centre Tapped Load )
2.4.5.2.
Inverter jenis
push-pull
Secara sederhana prinsip kerja inverter
dapat dijelaskan pada gambar 17 berikut ini :
Gambar
17 (a) Prinsip kerja inverter (b) Gelombang output
Dengan
menutup S1 maka arus yang mengalir ke trafo adalah I1, sedangkan pada saat
menutupnya S2 (S1 buka) maka yang mengalir adalah I2. Selanjutnya dengan
mengulang-ulang proses diatas maka akan dihasilkan tegangan bolak-balik (AC) yang
kemudian tegangannya dinaikkan dengan transformator seperti ditunjukkan pada
gambar 17.b. Sedangkan untuk mengatur frekuensi keluaran (f) dapat dilakukan
dengan mengubah-ubah waktu pensaklaran (T) sesuai persamaan 2.6 berikut:
f = 1/T (Hz) ...................(2.6)
2.4.6
Rangkaian
Driver dan Isolator Pulsa
Pulsa yang
dihasilkan oleh rangkaian pemicuan tidak cukup untuk membuat rangkaian saklar
bekerja, untuk itulah diperlukan rangkaian driver. Selain berfungsi sebagai
penggerak rangkaian daya, rangkaian driver juga berfungsi sebagai isolator
sehingga rangkaian pemicuan dan rangkaian daya tidak terhubung secara listrik.
Pada tugas akhir ini menggunakan transformator pulsa sebagai rangkaian driver
sehingga rangkaian pemicuan dan rangkaian daya terhubung secara magnetis.
Gambar 18 Rangkaian Driver dengan
Transformator Pulsa
Transformator
pulsa memiliki satu belitan primer dan satu atau lebih belitan sekunder.
Belitan sekundernya dapat disesuaikan dengan rangkaian daya yang digunakan dan
komponen pensaklarannya. Transformator yang digunakan hendaknya memiliki
induktansi bocor yang sangat kecil dan waktu naik untuk pulsa keluarannya
hendaknya sangat kecil pula. Pada pulsa yang relative panjang dan frekuensi
switching yang rendah, tranformator akan mengalami saturasi dan keluarannya
akan terdistorsi.
2.4.7
MOSFET
MOSFET merupakan
singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor yang merepresentasikan
bahan-bahan penyusunnya yang terdiri dari logam, oksida dan semikonduktor.
Terdapat 2 jenis MOSFET yaitu tipe NPN atau N channel dan PNP
atau biasa disebut P channel. MOSFET dibuat dengan meletakkan
lapisan oksida pada semikonduktor dari tipe NPN maupun PNP dan lapisan
logam diletakkan diatasnya.
2.4.8
Penyearah (Rectifier)
Rangkaian
penyearah adalah suatu rangkaian yang mengubah tegangan bolak-balik (AC)
menjadi tegangan searah (DC). Macam-macam penyearah :
1. Penyearah Setengah Gelombang
2. Penyearah Gelombang Penuh Dengan Tap
Tengah
3. Penyearah Jembatan (bridge)
2.4.9
Filter Kapasitor
Filter kapasitor
digunakan untuk menghaluskan keluaran penyearah yang mengandung riak, dimana
kapasitor akan menyimpan muatan selama dioda terbias maju dan bila dioda
terbias mundur muatan yang tersimpan akan dikeluarkan bila potensial keluaran
lebih rendah, seperti pada gambar 2.9.
Gambar 19. Penyearah tipe jembatan
dengan filter kapasitor
BAB
III
PENUTUP
3.1.
Kesimpulan
Dari isi makalah ini telah
dijelaskan tentang teknik pembangkitan tegangan tinggi bolak-balik/AC maka
didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
·
Terdapat tiga jenis tegangan tinggi
yaitu tegangan tinggi bolak-balik (AC), tegangan tinggi searah (DC), dan
tegangan tinggi impuls.
·
Tegangan
tinggi bolak-balik diperoleh dari suatu trafo yang disebut trafo uji, yaitu
trafo satu fasa yang mempunyai perbandingan belitan yang jauh lebih besar
daripada trafo daya.
·
Kenaikan tegangan dengan frekuensi
rendah dapat ditimbulkan seperti oleh putusnya kawat tegangan tinggi yang
panjangnya melebihi suatu batas tertentu, atau karena adanya hubungan singkat
pada kawat-kawat transmisi antara satu atau dua fasa dengan tanah.
·
Tegangan tinggi yang berfrekuensi tinggi
dipakai untuk mengetahui adanya kerusakan-kerusakan mekanis (keretakan, kantong
udara, dsb) pada isolator terutama porselen.
·
Trafo tesla
adalah pembangkit tegangan tinggi bolak-balik frekuensi tinggi yang digunakan
untuk melihat ada tidaknya keretakan dan kantong udara pada isolator.
·
Tegangan keluaran kumparan tesla
mempunyai nilai maksimal pada frekuensi resonansi. Menjalankan kumparan tesla
diluar frekuensi resonansi kumparan tesla jika terlalu jauh dari frekuensi
resonansi dapat mengakibatkan rusaknya kumparan tesla hal ini karena korona
yang terjadi semakin besar.
3.2.
Saran
Kepada
teman-teman mahasiswa diharapkan perlu banyak memahami tentang teknik
pembangkitan dan pengukuran serta pengujian tegangan tinggi bolak-balik, searah
maupun impuls dengan menggali dan mengembangkan pengetahuan individu atau pengalaman
yang dialami sendiri (kontekstual) melalui belajar kelompok dan berdiskusi
antar teman. Kepada dosen di harapkan mengajarkan sifat berfikir dengan
penerapan pendekatan kontekstual kepada mahasiswa untuk menghubungkan antara
materi yang diajarkan dengan situasi dunia nyata seperti meninjau langsung ke lokasi
ataupun dengan melakukan praktikum untuk meningkatkan kualitas mahasiswa.
REFERENSI
[1] Abduh, Syamsir, Teknik Tegangan Tinggi, Penerbit Salemba
Teknik, Jakarta, 2001.
[2] Tobing, Bonggas L, Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi,
Penerbit PT Gramedia,
Pustaka Utama, Jakarta, 2003.
[3] Fachrudin t, Teknik Tegangan Tinggi, Penerbit Pradya Paramita,
Jakarta, 1975.
[4] Habibi, Tugas Akhir:
Pembangkitan Tegangan Tinggi AC Menggunakan Kumparan
Tesla,
Universitas Diponegoro, 2007.
[5] Mujahid Wildan, Tugas Akhir : Perancangan Pembangkit Tegangan
Tinggi AC
Frekuensi Tinggi Dengan Kumparan Tesla Menggunakan
Inverter Jenis Push-Pull,Universitas Dipenogoro, 2009
[6] http:/www.alldatasheet.com
[7] http:/www.schoolar.google.com
