Pembangkitan Teknik Tegangan Tinggi AC

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.

1.     

2.     

2.1.     

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:

      S_n = N x S₁ – (n-1) S₁

Sedang isolasi trafo ke-n harus didukung dengan isolator tambahan yang mampu memikul tegangan sebesar:

      V_i-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 R_2.

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.

                                                   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.

1.      

2.      

2.1.      

2.2.      

2.3.      

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^-б₁^t cos  - є^-б₂^t cos               …….(4.2)

k =   ;    k’ =

                                                                     ω_{2 ­} >  ω₁

                                                                                            б₂   >  б₁

 б₁’  =     ;

б₁  =     ;

T = 2π   =  2π                                                …… (4.3)

Rumus (4-2) menyatakan adanya dua buah frekuensi, yang dinyatakan dalam gambar 4.2. Persamaan (4-1) dapat ditulis sebagai :

                                                              ……(4-4)

           

                                                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( X_L - X_C)             .......(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:

X_L = X_C

ωL =            ωL -  = 0 , sehingga

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

C_T = 28 .                  …. (2.5)

dimana :

C_T adalah kapasitansi toroid (pF)

d₁ adalah diameter toroid (cm)

d₂ adalah diameter selubung (cm)

1         

2         

2.1         

2.2         

2.3         

2.4         

2.4.1         

2.4.2         

2.4.3         

2.4.4         

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.     

2.4.1.     

2.4.2.     

2.4.3.     

2.4.4.     

2.4.5.     

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.    

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