PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI AC RESONANS

Teknik Pembangkitan Tegangan Tinggi Bolak-balik Menggunakan Trafo Sirkit Resonans

Di dalam penelitian dan pengujian tegangan tinggi yang melibatkan penggunaan tegangan bolak-balik frekuensi tenaga pada beban-beban yang bersifat kapasitif (nilai kapasitifnya besar atau dominan), seperti peralatan listrik kabel, GIS, Switchgear, kapsitor, dan lainnya, ada masalah-masalah yang dapat timbul jika sumber tegangan diperoleh dari trafo (transformator) penaik tegangan tunggal maupun transformator hubungan cascade. Untuk jelasnya lihat gambar 1. Masalah-masalah tersebut adalah sebagai berikut :

 1. Arus yang mengalir sangat besar, sehingga daya dari transformator catu harus besar,
    artinya ukuran dan berat transformator menjadi besar pula. Besarnya arus ini sesuai
    dengan persamaan (1).

   Keterangan :

I   : arus yang mengalir. 
π   : 3,14

f   : frekuensi tegangan 
C   : kapasitans beban.

V   : tegangan pada beban

ω   : kecepatan sudut putar gelombang bolak-balik (ω = 2. π . f).

2. Bila terjadi resonans antara kapasitans beban C dengan induktans dari belitan
    transformator L, maka:

a. Arus yang mengalir akan bernilai sangat besar, karena impedans Z hanya dibatasi oleh nilai hambatan  murni R dari sirkit atau Z = R, sehingga bilamana tegangan sumber atau tegangan primer trafo adalah Vs, maka nilai arus: I = Vs / Z = Vs / R

b.  Bila K adalah faktor kwalitas sirkit, maka tegangan beban (kapasitor C), nilainya tidak mengikuti hukum perbandingan transformasi lagi, melainkan lebih besar, yaitu : Vc = K.Vs

Faktor kwalitas K dari sirkit adalah faktor yang nilainya: K = 1 / ( ω R C)

c. Daya semu beban S_c bernilai lebih besar dari daya semu sumber S_s, yaitu S_c = K . S_s

3. Bila terjadi resonans harmonik, maka terjadi juga kondisi berbahaya seperti tersebut di
    atas (pada kondisi resonans gelombang dasar).

Terjadinya efek gejala resonans berupa timbulnya tegangan beban yang tinggi pada sirkit trafo dengan beban kapasitif dapat dijelaskan sebagai berikut.

Sirkit transformator berbeban kapasitif yang ditunjukan pada gambar 1 dapat dikembangkan menjadi seperti gambar 2. Gambar 2.a merupakan sirkit sebenarnya, sedangkan gambar 2.b merupakan sirkit ekivalennya (sirkit ganti). Arti notasi-notasi dalam gambar tersebut adalah sebagai berikut:

 (R₁+jωL₁) : Impedans dari sumber tegangan, trafo regulator dan belitan trafo catu
                     (R adalah tahanan belitan, dan L adalah induktans belitan).
(R₂ + jωL₂) : Impedans belitan sekunder transformator catu.
_{Rm                  : Tahanan karena adanya rugi-rugi besi inti transformator.
Lm                  :} Induktans maknetisasi, atau induktans shunt.
_{Zm                  :} Impedans shunt.
_{C                      : Kapasitans beban dari trafo.}

Umumnya nilai impedans shunt Z_m jauh lebih besar daripada nilai (R₁ + jωL₁) dan (R₂ + jωL₂), sehingga Z_m dapat diabaikan, dan sirkit ekivalen menjadi seperti gambar 3.a. Sirkit ekivalen tersebut dapat lebih disederhanakan lagi menjadi seperti gambar 3.b dengan ketentuan sebagai berikut :

R : nilai tahanan ekivalen gabungan dari tahanan-tahanan R₁ dan R₂, yaitu : R = R₁ + R₂.
L : nilai induktans ekivalen gabungan dari induktans L₁ dan L₂, yaitu : L = L₁ + L₂

Dari gambar 3.b terlihat bahwa besarnya impedans total Z_t adalah :

Nilai skalarnya adalah :

Akan terjadi resonans bila :

Sehingga persamaan (2) menjadi : 

 Atau :

Persamaan (6) menunjukan bahwa pada saat terjadi resonans, impedans total (Z_t) bernilai kecil, yaitu hanya mengandung tahanan murni belitan, tidak mengandung impedans belitan, sehingga arus yang mengalir pada sirkit (termasuk mengalir pada beban) bernilai besar, karena hanya dibatasi oleh tahanan murni dari sirkit. Bila I adalah besarnya arus yang mengalir dan X_C adalah reaktans dari kapasitans beban, maka besarnya tegangan pada benda uji (V_C) adalah :

Dari persamaan (7) terlihat bahwa bila arus I naik nilainya, maka nilai tegangan benda uji V_C juga naik. Dengan kata lain, dalam kasus sirkit listrik terjadi resonans seri, karena arus I bernilai besar, maka tegangan benda uji V_C juga bernilai besar.

Dari gambar 3.b dapat dihitung besarnya arus yang mengalir, yaitu :

Persamaan (8) masuk ke persamaan (7) menghasilkan persamaan :

 

Bila dalam besaran polar :

Atau dalam besaran komplek:

maka nilai mutlak (skalar) dari vektor tegangan beban Vc adalah :

Jadi :

Nilai (1/ωRC) disebut sebagai faktor kwalitas (Quality factor) dari sirkit, dinotasikan dengan huruf K. Faktor kwalitas suatu sirkit merupakan faktor yang mencirikan kondisi sirkit tersebut, yaitu per definisi dinyatakan sebagai besarnya kelipatan dari perbesaran tegangan yang terjadi pada beban kapasitif terhadap tegangan catu ketika terjadi resonans, atau faktor yang besarnya sama dengan 2π kali perbandingan antara energi yang disimpan dengan energi yang dibuang setiap setengah periode.

Gejala resonans seri yang menimbulkan masalah seperti diuraikan di atas dapat dimanfaatkan oleh transformator sirkit resonans untuk membangkitkan tegangan yang sangat tinggi hanya dengan catu tegangan dan daya yang lebih rendah dibandingkan bila menggunakan transformator tunggal. Gambar dasar dari transformator sirkit resonans dapat dilihat pada gambar 4. Induktor L_v merupakan induktor variabel, yaitu induktor yang nilai induktansnya dapat diatur-atur dengan mengatur jarak celah udara yang dibuat pada inti besi. Cara kerjanya adalah sebagai berikut. Dalam menerapkan tegangan uji pada beban kapasitif yang digambarkan sebagai kapasitor bc, sirkit uji tersebut justru sengaja dibuat mengalami resonans dengan mengatur nilai induktans dari induktor variabel Lv.

Bila :
R     : nilai tahanan ekivalen gabungan dari tahanan-tahanan belitan milik induktor variabel
          L_v  dan belitan sekunder transformator.
L     : nilai induktans ekivalen gabungan dari induktans-induktans belitan milik induktor
          variabel L_v  dan belitan sekunder transformator.
C     : nilai kapasitans dari beban kapasitif b_c.
f      : frekuensi tegangan sumber. 
ω     : kecepatan sudut putar gelombang bolak-balik, yaitu : ω = 2. π . f
X_L   : reaktans induktif dari induktans ekivalen gabungan L, yaitu : X_L = w.L = 2.p.f.L

Dalam kondisi sirkit mengalami resonans, maka nilai kwalitas sirkit (K) adalah :

Atau :

 

Dalam kondisi sirkit mengalami resonans, nilai Z = R, maka besarnya arus yang mengalir (I) :

Sedangkan nilai tegangan pada beban (Vbc) adalah :

Bila S_s adalah daya semu (VA) yang diberikan kepada transformator (daya semu masukan transformator) dan S_c adalah daya semu (VA) dari beban kapasitif, maka hubungan antara kedua daya tersebut adalah :

 

Perlu diketahui bahwa transformator sirkit resonans yang beroperasi dalam kondisi resonans memberikan gelombang tegangan dan arus dalam kondisi sefasa (karena sirkit bersifat resistif), maka faktor daya (Cos φ) sama dengan satu, sehingga daya semu yang diberikan kepada transformator (S_s dalam VA), sama dengan daya nyata yang diberikan kepada transformator (P_s dalam W) dan daya semu pada beban C (S_c dalam VA) sama dengan daya reaktif dari beban C (Q dalam VA_r).

Berdasarkan persamaan (16) dan (17) dapat ditarik pengertian bahwa pada suatu transformator sirkit resonans untuk suatu tegangan keluaran yang diinginkan, maka tegangan masukan yang diperlukan untuk pengujian berkurang1/K, demikian pula daya semu (VA) masukan yang diperlukan juga turun dengan faktor 1/K.

Faktor kwalitas K dari suatu alat uji sistem resonans seri dapat mencapai nilai sebesar 50 hingga 80 untuk beban kapasitif tinggi. Hal ini berarti bahwa tegangan keluaran dapat mencapai 50 sampai 80 kali tegangan masukan, atau dengan kata lain tegangan masukan hanya sebesar 1/50 hingga 1/80 kali tegangan keluaran. Sebagai contoh, suatu transformator sirkit resonans yang memiliki faktor kwalitas K = 50, maka untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 500 kV hanya diperlukan tegangan catu pada transformator penguat sebesar (1/50)x500 kV, yaitu hanya sebesar 10 kV.

Beberapa contoh transformator sirkit resonans yang terdapat dalam praktek dapat dilihat pada gambar 5 dan gambar 6.

Keuntungan Aplikasi Trafo Sirkit Resonans

Keuntungan-keuntungan penggunaan transformator sirkit resonans sebagai pembangkit tegangan tinggi adalah :

1.      Gelombang tegangan keluaran betul-betul sinusoida murni (tanpa harmonik).

2.      Daya yang dibutuhkan menjadi berkurang (5 s/d 10 % dari daya kVA total yang dibutuhkan).

3.      Tidak akan terjadi pembusuran daya (power arc), yaitu pembusuran dengan arus besar, bila terjadi kegagalan isolasi pada benda uji, karena resonans seri secara otomatis akan berhenti ber-resonans tepat pada saat terjadi kegagalan isolasi benda uji (terjadi perubahan nilai kapasitans C).

4.      Tidak terjadi flashover berulang-ulang pada kasus isolasi yang dapat pulih kembali.

5.      Sirkit resonans dapat dirangkai secara cascade (seri) untuk mendapatkan tegangan sangat tinggi.

6.      Peralatan uji menjadi ringkas dan sederhana.

Kerugian (Keburukan)

Satu kerugian atau keburukan dari pembangkitan tegangan tinggi menggunakan transformator sirkit resonans adalah diperlukan induktor variabel atau reaktor variabel atau choke (kumparan pemadam) yang harus mampu menahan tegangan tinggi dan harus mampu mengalirkan arus pengenal.

-oo0oo-