PENGARUH BEBAN TERllIADAP KINERJA OSILATOR DAY A UNTUK GENERATOR COCKROFT -WALTON 300 kV/20 ttlA Djasiman, Sudjatmoko, Suprapto, Sukidi P3 TM-BATAN.Yogyakarta
ABSTRAK PENCARUH BEBAN TERHADAP KINERJA OSII,ATOR DAYA UNTUKGENERATOR COCKROFTWALTON 300 kV/20mA. Telah dilakukan penelitian pengaruh beban terhadapkinerja osilator daya sebagai sumber tegangan masukanpada pelipat tegangangenerator Cockroft-Walton300 kV//20 mA. Konstruksi osilator daya ini dibangun menurutkonfigurasi" tickler oscillator" dalam sistem untai satu tingkat menggunakankomponen utanra tahung trioda ITK 15-2 Penelitiandilakukandenganmengujidan menyempurnakan osilator daya setelahdisatukandenganpelipat tegangan.Hasil pengujianpada kondisi maksimumdapatdicapai daya keluaran6,75kV (300 kV/22,5mA),amplitudoteganganosilasi 14,I kV dan frekuensi 23,8 kHz. pada kondisi masukanterdiri dari daya, tegangandan arus anoda masing-masing sebesar14,3 k~ 5,5kV dan 2,6 A. Fluktuasi.frekuensiterhadapvariasi daya keluaranantara 0.03 -6, 75 kWadalah 24,04 -23, 76 kHlz .Pada variasi daya keluarantersebutdidapatkantegangandan arus anoda serta tegangankeluaranmasing-masingadalah 0,5 -5.5 kVdan 0,2 -2,6A serta 1,2-14,1 kV:, Efisiensi maksimumdidapatkan47,2 % pada laya keluaran6, 75 kW Hasil pengujian menunjukanbahwakapasitas keluaran osilator daya telah sesuaidenganperencanaanyaitu mampumenyanggadaya bebangenerator Cockcroft-Walton sebesar6 kW (300 kV/20 mAYdan frekuensi osilator hampir tidak terpengaruholeh perubahanbeban.
ABSTRACT LOAD INFLUENCEON THE POWVEROSCILLATORPERFOMANCEFOR300 Kv/20 mA COCKCROFTWALTONGENERATOR.The load influenceon thepower oscil/atoras the oscillation voltageinput source of 300 kV/20 mA Cockcroft-Waltonvoltagemultiplier has beenexamined.The oscillator circuit configuration was built in accordanceto theprinciple of tickler oscillator type,and constructedin one stagesystemwith main component of /TK 15-2 triode tube. Examination was carried out by testing and improving the V oscillator circuit after connectingwith v~!!l1iPJiec. The obtainedresult at maximumcondition test indicatedoutput power, oscillationvoltage'amplitudeandfrequencywere 6 75 kW 14.1 kVand 23.8 kHz respectively,at input parameter ofpower, voltage and current of anodeindicate value of 14.3 kW 5.5 kV 2.6A respectively.Frequencyfluctuation over the variation of outputpower in the range of 0.03 -6.75 kW indicatedvalues of24.04- 23.8 kHz. On the condition ofoutputpower variation the indicatedanodevoltage, anodecurrent and output oscillation voltagewere0.5 -5.5 tv; 0.2 -2.6A and 1.2-14.kV; respectively.The maximumoverall efficiency obtained at 6.75 kW output power was 47.2%. Resultfrom the whole test indicatedthat oscillator outputcapacityhasadequatedrequirementdesignthat was capableto overcomethe Cockroft-Waltonloading of 6 kW (300 kV/20mA,and that frequencywas not nearlyinfluencedby varying load.
PENDAHULUAN D
alam program rancang bangun mesin berkas elektron (MBE) oleh PPNY -BA TAN yang diawali dengan kapasitas 300 key/tO mA, ditetapkan sebagai sumber tegangan pemercepatnya adalah generator Cockroft-Walton (GCW). Generator ini terdiri dari dua bagian utama yaitu osilator clara clan pelipat tegangan. Keluaran osllator baik clara maupun tegangannya harus cukup besar agar mampu mengatasikapasitas keluaran generator clan rugi-rugi pada pelipat tegangan serta rugi-rugi liar berupa arus bocor clan korona. Frekuensi keluarannya juga dituntut cukup tinggi yaitu dalam
beberapapuluh kHz untukmenunjangagarrugi-rugi dalam pelipat teganganlebih dapat diminimalkan. Agar diperoleh tegangan cukup tinggi sesuai kebutuhan, sementara tegangan osilasi yang langsung diperoleh dari komponenutama osilator (trioda) pada umurnnya relatif rendah, maka digunakan trafo peningkat tegangan pada sisi keluaran osilator Trafo ini adalah dari jenis frekuensi tinggi sehingga konstruksinya lebih khusus dibanding trafo biasa yang untuk 50 kHz, antara lain hams menggunakaninti refit untuk frekuensi sampai dengan 40 kHz clan tanpa inti untuk frekuensiyang lebihtinggi.
f=
Berbagai tire osilator clan bentuk gelombang dapat digunakan sebagai sumber pemberi masukan pada pelipat tegangan generator Cockroft-Walton. Osilator dengan clara besar umumnya dibuat dengan menggunakanjenis tabung elektron sebagai komponen utamanya dari pada menggunakanjenis komponen padat ("solid state;. Ada beberapa keunggulan dari penggunaanjenis ta.bung elektron antara lain mampu bekerja dengan catu tegangan clan arus yang relatif lebih tinggi, tahan terhadap arus beban lebih clan tegangan lebih yang berlangsung singkat. Untai osilator clara yang telah dibuat untuk GCW ini adalah dalam sistem satu tingkat menggunakan komponen utama trioda ITK 15-2 dalam konfigurasi "tickler oscillator" seperti terlihat dalam gambar 1. Sinyal umpan balik positif ke grid diperoleh dari kumparan perangsang ("tickler coil; pada trafo keluaran T I,' Trafo keluaran T I, adalah dari jenis frekuensi tinggi berinti ferit, memiliki 3 buah kurnparan L1,. L2 dan L3. Kumparan L1, sebagai primer dialiri arus anoda, L2 sebagai kumparan perangsang ("tickler coil'; memberi sinyal umpan balik positif ke grid, dan L3 sebagai kumparan sekunder menghasilkan tegangan tinggi keluaran untuk diberikan ke pelipat tegangan. Kumparan LI, paralel kapasitor C, merupakan rangkaian tangki atau rangkaian resonansi dimana frekuensi resonansinya akan menentukan besarnya fiekuensi yang dihasilkan osilator menurut persamaanberikut:
159
.JLC
(1)
dengan f adalah frekuensi resonansi (kHz), L nilai induktansi (IJ.H),clan C nilai kapasitansi (IJ.F) Dengan mengatur jumlah clan arah lilitan kumparan L2 besamya tegangan clan polaritas yang sesuai dapat diperoleh sebagai umpan balik positif. Tahanan grid RI' bersama dengan kapasitor C3 memiliki tetapan waktu yang jauh lebih besar dibanding periode osilasi, berfungsi memberikan tegangan bias ke grid. Kombinasi C3 d~ngan penyearah grid-katoda beraksi sebagai rangkaian pemegang ("clamp") sehingga menghasilkan tegangan DC negatif sebagai mana dibutuhkan untuk bias grid-katoda. Kumparan RFC dipasang untuk mencegah sinyal RF mengalir ke "ground'lewat tahanan RI. Kapasitor keraniik C4 dipasang antara grid clan filamen/katoda berfungsi untuk mengurangi osilasi parasit, nilai kapasitannya diperkirakan dengan persamaanberikut;
c gc = xPo
W
(2)
dengan Cgc adalah nilai kapasitan daTi kapasitor grid-katoda (pF), x. angka pendekatan antara 12 sid 15, Po daya keluaran nominal osilator (kW), daD f= frekwensi nominal osilator (Mhz). Untuk keluaran osilator 10 kW!40 kHz, kapasitor grid-katoda (C4) ini adalah 400 pF. Menurut spesifikasi data teknik tabung trioda ITK 15-2 ini memiliki kapasitas maksimum untuk daya, tegangan clan arus anoda masing-masing 63 kW, 12 kV clan 7 A, namun agar diperoleh keandalan yang tinggi diambil faktor keamanan operasi sebesar 75 % sehingga tabung trioda hanya akan dioperasikan dengan daya keluaran maksimum sebesar45 kW. Untuk bekerjanya memerlukan catu daya filamen 7,2 VII 80 A, pendingin anoda menggunakan sirkulasi air demineral dengan resistivitas tinggi lebih daTi 50 kO./cm clan untuk 'iilamen! head' menggunakan hembu.sanudara 0,5 m3/menit.
Dapat dikatakanbahwa GCW adalah suatu perangkat pengubahdaya DC tegangan rendah menjadi daya DC bertegangan tinggi melalui beberapa bagian sistem. Proses konversinya berturut-turnt dhllulai dari osilator daya,trafo RF peningkatteganganclanpelipattegangan.Mengingat rugi-rugi daya yang terjadi dalam fungsi kerja tiap bagian tersebut,maka masing-masingakan terikat dengan suatu faktor daya guna atau efisiensi. Efisiensi masing-masing bagian sistem tersebut telah menjadi bahan pertimbangan dalam perencanaankonstrUksiosilator daya sebelurnnya. Secara pendekatan dalam perencanaan telah diperkirakanbesarnyaefisiensi dari masing-masing bagian sistem tersebut yaitu: untuk osilator daya sebesar:70 %, trafo RF: 70 % clan disisi pelipat tegangan: 95 %, sehingga efisiensi seluruhnya sekitar47 %. Dalam hal ini dilaporkan tentang pengaruh bebanterhadapkinerja osilator daya sebagaibagian penyanggadaTi GCW 300 kV/20 mA yang akan digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat padaMBE 300kV/IO mA.
masukan dilakukan dengan cara mengatur catu clara anoda melalui suatu variak, sedangkanclara keluaran dengan cara mengatur rangkaian tahanan beban. Parametermasukan meliputi clara, tegangan clan arus catu clara osilator, diperoleh daTi pengukuran arus clan tegangan anoda, sedangkan clara keluaran diperoleh dari pengukuran tegangan clan arus tahanan beban.. Frekuensi keluaran dapat langsung diukur, sedang kan untuk memperoleh pengamatan amplitudo tegangan keluaran (E) dilakukan pengukuran terhadap tegangan tingkat pertama (V U pada struktur pelipat tegangan, clan harga E didekati daTi hubungan E = V 1/2, karena pengukuran secara
II'C
11
CI
C2 C3
10 nF/30kV 5 nF/I0 kV
C4
0,1 ~F/15 kV trioda ITK 15-2 trafo keluaran meter tegangan anoda meter ares anoda sumber daya filamen 7,2 V /240 A 400 pF/5 kV
C5 C6
0,01j.lF/5 kV 10 nF/15 kV
RI D. Yo
1,5 kO./l kW penyearah 3 Al50 kV meter tegangan beban meter ares beban sumber daya anoda
VI TI Va 10
SDF
10
SDA
Gambar I Rangkaian osilator clara untuk generator Cockcroft-Walton 300 kV/20 mA.
TATA KERJA DAN PERCOBAAN Untuk mengetahui pengaruh beban terhadap kinerja osilator daya sebagai bagian penyangga dalam struktur generator Cockcroft-Walton (GCW) yang akan digunakan sebagai sumber tegangan pemercepat pada mesin berkas elektron (MBE) dilakukan penyatuan dengan pelipat tegangan (PT) dan pengujian dengan pembebanan simulasi. Rangkaian pengujian dengan pembebanan simulasi ditunjukkan pada gambar 2. Pengujian clengan pembebanan simulasi ini menggunakan rangkaian tahanan beban yang terbuat daTi susunan seri-paralel sejumlah 25920 buah tahanan karbon 10 kOJO,5 W sehingga bemilai 12,96 kW/16,2MO, dipasang melintas pada terminal keluaran GCW. Untuk mengetahui kinerja osilator daya ini dilakukan pengamatan atas parameter-parameter masukan kaitannya dengan parameter keluaran pada berbagai kondisi. Untuk memperoleh variasi daya
langsung sulit dilakukan. Dari data-data basil percobaan akan dapat disajikan beberapa beberapa hubungan antar parameter untuk memperoleh gambaran watak kinerja osilator clara. Sementara untuk memperoleh hubungan parameter osilator clara terhadap waktu operasi belum dapat dilakukan, karena perlengkapan sistem pendingin yang belum memadai. Pendinginan tersebut antara lain- untuk sumber clara anoda clan trafo RF serta pendingin rangkaian tahanan beban
HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pengujian ini telah dilakukan pengamatan terhadap parameter-parameter masukan kaitannya denganparameterkeluaranpada, berbagaikondisi. Dari data-data basil pengamatandapat disajikan beberapawatakhubunganantaraparametermasukan terhadapparameterkeluaran dalam bentuk grafik. Hubungan antara variasi clara masukan terhadap dayakeluaranclan efisiensikonversiclara disajikan dalam gambar 3, hubungan antara variasi clara masukanterhadaptegangankeluaranpada kondisi tanpa bebanclanberbebandisajikan dalamgambar 4, sedangkandidalamgambar5 disajikanhubungan antara clara masukan dengan teganganclan arus anoda.Dari pengamatanfrekuensikeluaranterhadap variasi clara masukan diperoleh data dengan fluktusai frekuensi antara 24,14 -23,8 kHz pada variasi clara 0,1 -14,3 kW. Dari basil pengujian variasi clara masukanterhadapclara keluaranyang disajikan dalam gambar 3 menunjukkan clara keluaranyangtelah dapatdicapaiadalah6,75 kW
ProsedingPertemuandan Presentasil/miah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15Juti /999
Buku/
274
ditampilkan dalam gambar 4, terlihat adanya kesebandingan yang hampirlinier padakedua
10,
J.--
' -.., SO
i 8 d,
140 rII
130~
6
I!
.n
-
!
:B
§, 20 '"'
~
+Ppvs.Pil-10 I-Efvs.PiI ; O~I
0
1-;.10
.2.5
pada clara masukan 14,3 kW atau dengan efisiensi konversi clara sebesar 47,2 %. Daya masukan tersebut selain untuk menyangga clara keluaran atau clara beban adalah untuk mengatasi rugi-rugi clara yang terjadi dalam proses kerjanya komponenkomponen sistem. Rugi-rugi clara tersebut antara lain pada komponen utama osilator clara berupa disipasi anoda, pada trafo RF dalam bentuk rugi-rugi inti'dan kawat/tembaga, pada pelipat tegangan dan rugi-rugi liar berupa arus bocor dan korona. Secara pendekatan rincian rugi-rugi daya tersebut telah diperkirakan dalam perencanaankonnstruksi osilator clara berdasarkan efisiensi masing-masing bagian yaitu untuk osilator daya sebesar70 %, trafo RF 70 % dan disisi pelipat tegangan 95 %, sehingga efisiensi secra keseluruhan sekitar 46,6 %. Pada kenyataannya harga efisiensi tersebut mendekati perkiraan dalam perencanaan dengan selisih 0,6 % lebih besar, hal ini menunjukkan bahwa kondisi kerja masing-masing bagian sistem dalam batasbatas yang wajar. Pada kondisi daya rendah kurva efisiensi cenderung menurun, hal ini disebabkan karena keluaran osilator masih dominan untuk mengatasi rugi-rugi terutama untuk eksitasi trafo RF. Pada kondisi maksimum dengan daya keluaran sebesar 6,75 kW tersebut didapatkan tegangan keluaran bebentuk gelomgang sinusoidal dengan amplitudo 14,1 kV clan frekuensi 23,8 kHz. Pada kondisi tersebut parameter masukan yaitu daya, tegangan clan arus anoda masing-masing menunjukkan 14,3 kW, 5,5 kV dan 2,6 A. Dari hubungan antara variasi daya masukan terhadap tegangan keluaran osilator seperti
Djasimandkk
zd I
7.'
10
12.5 ~IS
DaY'masukan (kW)
Gambar 2: Diagram rangkaian pengujian osilator clara dirangkai dengan pelipat tegangan clan tahananbeban.
S
Gambar3. Hubungandayamasukanvs daya keluaran
Gambar 4. Daya masukan vs tegangan keluaran pada kondisi tanpa beban daD berbeban 3
2.5
~ ~
,2
j ;
I.S
t :
,r:;Pi~=fi
...
t
01 0
tl-
i J
'> Ow'
-Pi vs.J& Hr.' ,
2.5
,
7.S
10 12.'
'0 IS
Dayamasubn(kW)
Gambar5. Hubungandaya masukanvs. Tegangan anodadanarusanoda
ISSN0216-3128
ProsedingPertemuandon PresentasiIlmiah P3TM-BATAN. YogyakartaI4-15JuliI999 kondisi baik tanpa beban rnaupun berbeban, serta
perbedaankebutuhan daya yang besar diantara kedua kondisi tersebut. Kelinieran kurva rnenunjukkan bahwa kondisi kerja fungsi daTi kornponen-kornponen sistern belum rnengalami kejenuhan. Untuk rnernbangkitkantegangankeluaran yang sarna sebes~r 14,I kV, pada kondisi tanpa beban hanya dlbutuhkan daya rnasukan yang kecil, hat ini karena daya rnasukanhanya diperlukan untuk rnengcksitasi kondisi kerja kornponen-kornponen sistern terutarna rugi-rugi inti trafo RF, sedangkan pada kondisi berbeban diperlukan daya jauh lebih besar karena untuk rnengatasijurnlah daya keluaran dan seluruh rugi-rugi daya yang terjadi, terutarna rugi-rugi disipasi anoda daTi tabung trioda clan disipasi kurnparanpada trafo RF. Berdasarkan perolehan data pengujian untuk hubungan antara frekuensi keluaran dengan variasi
275 -.-
BukuI
keluaran 6,75 kW. Hasil pengujian menunjukkan bahwakapasitaskeluaranosilator daya telah sesuai denganperencanaanyaitu mampumenyanggadaya beban generatorCockcroft-Walton sebesar6 kW (300 kV/20 IDA)dan frekuensiosilator hampirtidak terpengaruholehperubahanbeban.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkallterima kasih kepada Heri Sudarmanto,Untung Margono, Sumaryadi, Suhartono,Dwi Mulyanto atas bantuannyadalam pelaksanaan penelitianini.
DAFT AR ACUAN I.
clara yang rnenunjukkan harga frekuensi yang harnpir tetap yaitu 24,04 -23.76 kHz pada variasi daya rnasukan antara 0,1 -14,3 kW atau daya beban 0,03 -6,75 kW. Hal ini karena frekuensi keluaran osilator lebih ditentukan oleh nilai induktansi (L) dan kapasitansi (C) daTi rangkaian resonansi(t., C.) sesuaidengan persarnaan(I) dari pada oleh pengaruh yang lain seperti variasi catu daya, beban dan suhu. Hubungan variasi daya terhadap tegangan clan arus anoda yang disajikan dalarn gambar 5 rnenampilkan kurva hubungan yang hampir .tinier. DiI(aitkan dengan watak dalam garnbar 3 dimana k~luaran osilator sebanding dengan daya rnasukan, rnaka untuk pengaturan keluaran osilator yang berarti juga keluaran GCW dapat diatur rnelalui pengaturan tegangananoda. Pada kondisi rnaksimum dengan daya 14,3 kW, rnenunjukkan tegangan dan arus anoda rnasing-rnasingsebesar5,5 kV dan 2,6 A. Berdasarkan kapasitas rnaksirnurn daTi spesiflkasi data teknis tabung trioda ITK 15-2 yaitu tegangan dan arus anoda rnasing-rnasing dapat dicatu hingga 12kV dan 7 A, rnaka dengan kondisi kerja tersebut rnasih dalarn batas-batasyang aman dan rnasih dapat ditingkatkan untuk pengernbanganlebih lanjut.
KESIMPULAN Hasil pengujian pada kondisi maksimum dapat dicapai daya keluaran 6,75 kW (300 kV/22,5 mA), amplituda tegangan osilasi 14,1 kV daD frekuensi 23,8 kHz, pada kondisi masukan terdiri dari daya, tegangan daD arus anoda masing-masing sebesar 14,3 kW, 5,5 kV daD 2,6 A. Fluktuasi frekuensi terhadap variasi daya keluaran antara 0,03 -6,75 kW adalah 24,04 -23,76 kHz. Pada variasi daya keluaran tersebut didapatkan tegangandaD arus anoda serta tegangankeluaran masing-masing adalah 0,5 -5,5 kV dan 0,2 -2,6 A serta 1,2 -14,1 kV. Efisiensi maksimum didapatkan 47,2 % pada daya
2. 3.
4.
5.
SULRZI3ERG, OSTERHELD, Esential of ComunicationElectronics,Mc. Graw. -IiI I, Ltd, 1973. ThomsonTube Electroniques,ITK 15-263 kW IndustrialTriode,France,1994. GRAGGS, J, and MEEK, JM, High Voltage Laboratory Technique, Butterworth, Ltd, London,1953. DJASIMAN, dkk, Konstruksi Osilator Daya Untuk GeneratorCockcroft-Walton300 kV/20 mA, LaporanTeknikPPNY-BATAN, 1998. SUPRAPTO,dkk, Konstruksidan Karakterisasi PelipatTeganganGeneratorCockcroft -Walton 300 kV/20 mA Untuk Tegangan Pemercepat Mesin Berkas Elektron 300 keV/IO mA, Pertemuanllmiah HFI, 8 -10 Desember1998.
TANYAJAWAB Rakis Ismanto .Bagaimana cara melakukan pengukuran tegangan outputnya daDdengan alat apa.
Djasiman * Caranya dilakaukan dengan pengukuran langsung menggunakan alaI pengukur tegangan tinggi yang dikenakan langsung ke elektroda tegangan tinggi. Alat pengukur tegangantinggi tersebutterdiri dari meterarus 50 ,uA don tahanan seri 10.000 Mfl yang dihubungkan secara seri sehingga memiliki jangkau ukur 500 kJ":
Subari Santoso *
Mohon dijelaskan lebih terinci frekuensi osilator hampir tetap tidak terpengaruholeh perubahan daya pada generator CockroftWalton.
Djasiman * Frekuensi osilator pada dasarnya ditentukan oleh nilai induktan don kapasitan dari rangkaian resonansi(LI don CI dari gambar I) menurut persamaan I, perubahan dayaibeban dapat mempengaruhifrekuensi melalui rumus;
*
dimana Qejfadalahfaktor tangki nilairesonansi Rt tahananuntai resonansi RL tahananbeban Makin besar nilai Qeffmakin tinggi kestabilan frekuensinya. Jadi hampir tetapnyafrekuensi karenapengaruh dominan ditentukanmenurut persamaanI tersebut.
Diasimandkk
ISSN 0216-3128
