Pembangkitan Tegangan Tinggi DC dan Bolak-Balik

Pembangkitan Tegangan Tinggi DC

1.    Rangkaian penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh

Sirkuit rectifier untuk menghasilkan tegangan dc dari sumber ac bisa jadi :

·         Setengah gelombang

·         Gelombang penuh

·         Pengganda tegangan

a.       Penyearah setengah gelombang

Gambar a. Penyearah setengah gelombang tanpa filter

Transformator diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya. Pada rangkaian ini, dioda berperan hanya untuk merubah dari arus AC menjadi DC dan meneruskan tegangan positif ke beban R1.

Gambar b. Penyearah setengah gelombang dengan filter C

Gambar b adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata.

b.      Penyearah gelombang penuh

Gambar c. Penyearah gelombang penuh

Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) dan dua dioda. Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang.

      Untuk aplikasi tegangan tinggi 50 kV ke atas, penyearah yang digunakan memiliki konstruksi khusus. Penyearah memiliki pelindung atau kisi sekeliling filament dan katoda. Anoda biasanya berbentuk pelat bundar.

Tegangan ripple dengan penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh

Tegangan ripple merupakan tegangan yang muncul pada tegangan dc output sehingga tegangan dc tersebut memiliki nilai yang tidak pasti. Tegangan ripple pada penyearah setengah gelombang lebih besar dibanding pada penyearah gelombang penuh.

2.    Rangkaian Pengganda tegangan

Gambar a. Pengganda tegangan sederhana

Gambar b. Pengganda tegangan Kaskade

Dalam rangkaian pengganda tegangan pada gambar a, C1 disi melalui penyearah R1 hingga +V_max selama siklus setengah negatif. Selama tegangan transformator naik le +V_max  selama setengah siklus berikutnya, potensial terminal C1 lain naik hingga +2V_max. C2 diisi melalui R2 hingga 2V_max.

Pengganda tegangan kaskade digunakan ketika tegangan output yang lebih besar dibutuhkan tanpa mengganti tingkat tegangan  input transformator. Pengganda tegangan kaskade merupakan pengganda tegangan sederhana yang diduplikat dan dihubungkan secara seri atau paralel untuk menghasilkan tegangan ganda hingga 4V.

3.    Rangkaian Pengali Tegangan

Gambar a. Rangkaian pengali tegangan

Pada fase negatif dioda D1 akan panjar balik sedangkan dioda D2 akan panjar maju. Hal ini menyebabkan capasitor C1 akan menyimpan muatan dari hasil panjar maju D2 sebesar 10V. Vo pada awal fasa masih belum mengukur tegangan. Pada fase positif dioda D1 akan panjar maju dan dioda D2 akan panjar balik. Vo akan mendapatkan tegangan 20V dari V1 sebesar 10V dan pelepasan muatan dari capasitor C1 sebesar 10V. Pada saat ini pula C2 akan menyimpan muatan sebesar -10V hasil dari panjar maju D1.

Pada fase negatif berikutnya dioda D1 akan panjar balik sedangkan dioda D2 akan panjar maju. Hal ini menyebabkan capasitor C1 akan menyimpan muatan dari hasil panjar maju D2 sebesar 10V. Vo akan mendapatkan tegangan -20V dari V1 sebesar -10 V dan pelepasan muatan dari C2 sebesar -10V.
Begitu siklus terus berulang dan didapatkan tegangan 2 kali lipat dari sebelumnya. Dengan teori yang sama maka bisa dibuat rangkaian pengali tegangan sesuai dengan keinginan dari perancangnya. Berikut contoh rangkaian pengali tegangan quadraple, 4 kali dari tegangan semula.

Gambar b. Rangkaian pengali tegangan quadruple

4.    Mesin Elektrostatik

Dalam mesin elektrostatik, konduktor yang membawa arus bergerak dalam medan magnet sehingga energi mekanik dikonversi ke energi listrik. Jika sabuk isolasi dengan kerapatan charge δ bergerak dalam medan elektrik E(x) antara 2 elektroda yang dipisahkan s kemudian

·         Charge pada sabuk pada jarak dx adalah dq= δ.b.dx dimana b adalah lebar sabuk

·         Gaya pada sabul adalah

Jika sabuk bergerak dengan kecepatan v dan energi mekanik P, maka

Arus I dalam sistem diberikan oleh

Dan perbedaan potensial V

Contoh dari mesin elektrostatik adalah :

·         Generator van de graaff

Generator Van De Graff menerapkan prinsip dasar bahwa muatan pada konduktor berongga hanya tersebar di permukaan luarnya.

Apabila sebuah konduktor bermuatan disisipkan ke dalam sebuah konduktor rongga, lalu disentuhkan pada dinding dalamnya, maka seluruh muatan pada konduktor pertama berpindah ke konduktor kedua, tak perduli apakah konduktor kedua ini telah bermuatan sebelumnya. Sekiranya tak ada kesulitan akibat adanya faktor isolasi, muatan (dan kerena itu juga potensial) konduktor rongga itu bisa saja ditambah tanpa batas dengan cara mengulang-ulang proses tadi. Dengan naiknya potensialkonduktor maka makin besar gaya tolak yang bekerja terhadapnya tiap kali muatan ditambahkan padanya sehingga pada suatu saat konduktor tersebut tidak dapat menampung muatan lagi.

Generator yang diciptakan oleh Van De Graff menerapkan asas tersebut namun caranya bukan dengan berkali-kali memasukkan benda bermuatan ke dalam sebuah konduktor, melainkan muatan dimasukkan secara terus menerus dengan pita atau ben berjalan (belt conveyor).

·         Generator elektrostatik

Generator van de graaff merupakan perangkat daya yang rendah, kira-kira puluhan kW. Mesin elektrostatik dengan pengonversian energi mekanik menjadi energi listrik yang lebih efisien menggunakan prinsip kapasitor variabel dikembangkan.

Arus yang melewati capasior variabel diberikan :

dimana C adalah kapasitor yang diisi hingga potensial V. Input dayanya adalah

jika  negatif, energi mekanik dikonversi ke energi elektrik. Dengan kapasitor diisi dengan tegangan dc V,  dan output akan menjadi .

5.    Regulasi tegangan dc

Regulator menjaga perubahan tegangan antara ±0,1% dan ±0,001% tergantung aplikasinya.

Gambar a. Regulator tipe seri

Gambar b. Regulator tipe paralel

Secara umum regulator dibagi jadi dua yaitu tipe seri dan tipe parallel. Jika ΔE₀ adalah perubahan dari E₀ sebagai hasil hasil perubahan ΔP_i dalam E_i, maka rasio stabilisasi S didefinisikan oleh

Parameter R₀ merupakan resistansi internal effectif. R₀ melengkapi performa fungsi regulator.

Dimana  perubahan tegangan output karena perubahan arus beban . Regulasi R didefinisikan sebagai

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI BOLAK-BALIK

Ketika tegangan percobaan yang dibutuhkan kurang dari 300kV, dapat digunakan transformer tunggal. Impedansi transformer harus kurang dari 5%, dan mampu memberikan arus short circuit selama satu menit atau lebih tergantung desain. Sebagai tambahan bagi lilitan normal, yang dikenal sebagai lilitan tinggi dan rendah, terdapat lilitan ketiga yang disebut lilitan meter, untuk mengukur tegangan output. Untuk tegangan yang lebih tinggi, konstruksi masing-masing untuk menjadi lebih rumit dan mahal sebagai akibat dari masalah isolasi. Terlebih lagi, transportasi dan pemasangan transformer berukuran besar sangat sulit. Kekurangan ini ditutupi oleh penghubung seri atau pembongkaran dari beberapa unit identik transformer, dimana lilitan tegangan tinggi dari semua unit datang secara seri.

1.    Cascade Transformer (Pembongkaran Transformer)

Gambar a. Transformator kaskade

                Gambar a menunjukkan pemisahan unit transformer dimana transformer pertama terletak pada ground potential bersamaan dengan tanknya. Transformer kedua tersimpan pada isolator dan tetap pada potensial V₂, tegangan output dari unit pertama di atas ground. Lilitan tegangan tinggi dari unit pertama dihubungkan ke tank pada unit kedua. Lilitan tegangan rendah unit ini disuplai dari lilitan excitation (pembangkit/pendorong) dari transformer pertama, yang terhubung seri dengan lilitan tegangan tinggi dari transformer pertama pada ujung tegangan tingginya. Nilai dari lilitan excitation hamper serupa dengan dengan lilitan primer pada lilitan tegangan rendah. Hubungan tegangan tinggi dari lilitan transformer pertama dan terminal lilitan excitation diperoleh melalui bushing ke transformer kedua. Transformer ketiga terdapat pada isolator di atas ground pada potensial 2V­₂, dan disuplai oleh transformer kedua. Jumlah tingkatan pada susunan ini biasanya 2 sampai 4, tapi terkadang, digunakan 3 tingkatan untuk operasi 3 fasa jadi dapat diperoleh nilai √3V₂ antara masing-masing line.

Suplai untuk unit dapat diperoleh dari motor-generator atau melalui induksi regulator untuk tegangan output yang bervariasi. Nilai dari lilitan primer atau tegangan rendah biasanya 230 sampai 400 V untuk unit kecil sampai dengan 100kV A. Untuk output yang lebih besar, nilai dari lilitan tegangan rendah bias 3,3 kV, 6,6 kV, atau 11 kV.

Isolating transformer I_s1, I_s2, dan I_s3 merupakan transformer insulated dengan ratio 1:1 terhadap tank potensialnya, dan ditujukan sebagai suplai bagi excitation untuk tingkat kedua dan ketiga pada tank potensialnya, Power supply ke isolating transformer juga berasal dari input ac yang sama.

Kerugian :

·         mahal dan memakan tempat.

Keuntungan:

·      pendinginan alami yang cukup

·      transformer ringan dan padat

·      transportasi dan penyusunan kembali gampang

·      konstruksinya serupa dengan isolating transformer dan unit cascade tegangan tinggi

·      koneksi 3 fasa dalam delta atau bintang bagi 3 unit memungkinkan

·      rating di sampai pada 10 MVA pada koneksi cascade memberikan tegangan tinggi sampai 2.25 MV baik dalam ruangan maupun di luar ruangan.

Pengujian peralatan atau isolator tegangan tinggi selalu melibatkan penyediaan beban kapasitif dengan power disipasi yang rendah. Jika C adalah kapasitansi, V adalah nilai rms dari tegangan output nominal transformer pada frekuensi angular w, maka nilai nominal transformer dalam kVA menjadi P = K.V² wC, dimana K (>1.0) merupakan factor untuk menghitung kapasitansi ekstra dalam rangkaian uji, seperti mengukur kapasitansi divider, dll. K memiliki banyak nilai dalam order 2 atau lebih unutk tegangan sangat tinggi (>1MV).

Arus charging untuk peralatan uji berkisar antara 10mA pada 100kV sampai beberapa miliampere pada megavolt. Transformer seperti ini memiliki rating waktu pendek (10-15 menit) untuk rating daya tinggi, jika dibandingkan dengan rating daya nominal.

Transformator uji besar lebih dari 1 MVA pada 1 MV akhir-akhir ini didesain untuk penggunaan luar ruangan saja. Desainnya seperti disebutkan pada pola kedua dan memastikan unit dilengkapi dengan cincin logam ukuran besar untuk menghindari korona, dan dihentikan dengan elektroda near spherical polycone. Transformer uji modern diciptakan untuk menahan transient selama flashover pada objek uji.

Transformer cascade merupakan peralatan yang sangat mahal dan sulit diperbaiki. Sehingga arus short circuit tinggi harus dibatasi dengan menggunakan limiting reactor  pada input stage.

Power Supply untuk a.c Rangkaian Uji

Unit Transformer cascade besar  mendapat pasokan daya dari motor-generator terpisah  atau regulator tegangan. Supply menggunakan regulator tegangan akan lebih murah, dan lebih flexible jika unit cascade dapat beroperasi dalam keadaan terpisah, atau parallel, atau dalam unit 3 fasa. Impedansi pada transformer regulating tegangan juga harus rendah pada semua posisi tegangan.

2.    Resonant Transformer

Rangkaian ekivalen dari transformer uji tegangan tinggi  mengandung kebocoran reaktansi pada lilitan, resistansi lilitan, reaktansi magnetis, dan kapasitansi shunt melewati terminal output diakibatkan oleh bushing oleh terminal tegangan tinggi.

Resonansi seri mungkin terjadi pada frekuensi daya w, jika (L₁ + L₂) = 1/wC. Dengan kondisi ini, arus pada objek sangat besar dan hanya dibatasi oleh resistansi pada rangkaian. Bentuk gelombang tegangan yang melewati objek berupa sinusoidal. Besar tegangan melewati kapasitansi C yaitu :

Faktor XC/R = 1/wCR merupakan factor Q dari rangkaian dan memberikan nilai dari multiplication tegangan ang melewati objek pada kondisi resonansi. Tegangan input yang dibutuhkan untuk extitation dikurangi dengna factor 1/Q, dan output kVA yang dibutuhkan juga dikurangi dengan factor 1/Q. factor daya sekunder dari rangkaian adalah satu.

Prinsip ini digunakan pada pengujian tegangan sangat tinggi dan kasus yang membutuhkan arus output besar seperti pengujian kabel, pengukuran dielectric loss, pengukuran partial discharge, dll. Transformer dengan rating tegangan 50-100 kV dan rating arus besar dihubungkan dengan cok tambahan. Kondisi uji diatur w(L_e + L) = 1/wC, dimana L_e merupakan total kebocoran reaktansi ekivalen transformer, termasuk regulating transformer.

Keuntungan dari prinsip ini :

·      outputnya berupa gelombang sinus murni

·      daya yang dibutuhkan rendah (5 -10 % dari total kVa yang dibutuhkan)

·      tidak ada high-power arcing (pancaran bunga api) dan sentakan arus berat yang terjadi jika gagal, karena resonansi berhenti jika pengujian gagal.

·      cascading (pemisahan) juga dapat dilakukan pada tegangan sangat tinggi

·      penyusunan test yang simple dan padat

·      tidak ada pengulangan flashover terjadi jika gagal sebagian pada test objek dan pemulihan isolasi.

Kerugian :

·         dibutuhkan cok variable tambahan yang sanggup menahan tegangan penuh dan arus penuh.

3.    Pembangkitan Frekensi Tinggi a.c tegangan 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.

Transformer resonansi frekuensi tinggi yang umum digunakan adalah Tesla coil, yang rangkaiannya doubly tuned resonant.  Rating tegangan utama adalah 10kV dan sekunder 500-1000kV. Primer didapat dari sumber ac atau dc melalui condenser C1.