VIZUALISASI WATAK TRAFO CORELESS MENGGUNAKAN MATLAB

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012

ISSN: 1979-911X

VIZUALISASI WATAK TRAFO CORELESS MENGGUNAKAN MATLAB Uminingsih Jurusan Matematika,Fakultas Sains Terapan, Institur Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta. Jalan Kalisahak No.28 Kompleks BalapanYogyakarta E-mail: [email protected] ABSTRACT The visualization of characteristic of coreless transformer has been created using MATLAB. Method in creating visualization and simulation uses the PLOT and GUI(Graphical User Interface) facilities to achieve interesting and interactive program. The visualization and simulation application program is validate by comparing with VIZIMAG. The results of the executing visualization and simulation program of coreless transformer which has been created works well and provides the validated data. The simulation results of transformer input parameter versus of output transformer characteristic at 10 kV are as followed: a) The higher of primer capacitor, it courses the transformer output became higher. b) The variation of primer inductance shows that the transformer output at about 50µH. c) The higher of coupling coefficient, it courses the transformer output became higher and then reach the saturation at about k=0,6. d) The influence of the transformer resistor(R) shows that the sinus signal of transformer output is damped. At zero primer resistance, the output transformer is 480 kV, meanwhile at R=5Ω the output transformer is to be in the range (1,6x105 1,5x105) kV. Keywords: Coreless Transformer, Visualization, Simulation, Matlab, High voltage INTISARI Telah dilakukan pembuatan program visualisasi watak trafo coreless menggunakan program MATLAB. Metode pemrograman menggunakan fasilitas PLOT dan GUI(Graphical User Interface ) untuk menghasilkan visualisasi dan simulasi yang interaktip dan menarik. Validasi program aplikasi visualisasi dan simulasi menggunakan program VIZIMAG. Hasil uji eksekusi dan validasi menunjukkan bahwa program aplikasi visualisasi trafo coreless yang dibuat berfungsi dan menghasilkan data yang absah Hasil simulasi pengaruh parameter input trafo terhadap watak output trafo untuk tegangan primer yang tetap (10 kV) adalah sbb: a) Semakin besar nilai kapasitor yang terpasang, maka besar tegangan output semakin besar pula; b) Perubahan induktansi primer menunjukkan adanya nilai tegangan output trafo maksimum disekitar 50 µH; c) Semakin besar nilai coupling coefficient, maka besar tegangan output semakin besar kemudian mencapai kejenuhan disekitar k=0,6; d) Pengaruh tahanan primer R terhadap watak output trafo menunjukkan adanya sinyal gelombang output teredam. Bila tanpa R(tahanan nol) tegangan output trafo sampai 480 kV, sedang dengan adanya R=5Ω tegangan output menjadi 1,6.105 s/d -1,5.105 kV. Kata Kunci: Trafo Coreless, Visualisasi, Simulasi, MATLAB

PENDAHULUAN Kebutuhan sumber pembangkit tegangan tinggi hingga orde ratusan kV semakin hari semakin banyak seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi Industri di bidang manufaktur. Sumber daya pembangkit tegangan tinggi ini banyak digunakan pada bidang teknologi akselerator misal pada Mesin berkas elektron (MBE), dan pada bidang proses industri yang menggunakan Elektrostatik Presipator (ESP) (Auslender,1999). Aplikasi lain dari coreless transformer adalah digunakan untuk sistem aktivasi pada microwave (Pernia, 2007). Ada dua jenis trafo pembangkit tegangan yaitu; Trafo jenis berinti ,untuk pembangkit tegangan output orde puluhan kV (Syamsir, 2001) dan jenis Trafo tak ber-inti./coreless Transformer untuk penghasil tegangan output orde ratusan kV hingga MV (Fredman dan Young, 2003) Frekuensi yang dihasilkan oleh transformator tak berinti berkisar antara 50-400 KHz. (Marco, 2001). Simulasi merupakan suatu cara yang efisien dalam memahami suatu sifat fisika atau kimia. Modeling suatu trafo untuk beban dan daya tetap banyak dilakukan (Tleis, 2008). Dari penelitian sebelumnya “Simulasi Desain Penentuan Parameter Coreless Transformer” (Sulistiyanto, 2010) yang telah berhasil mendesain trafo coreless dengan tegangan output mendekati sesuai yang diinginkan pengguna. secara manual. Dengan cara beberapa kali coba-coba mengambil parameter dengan nilai tertentu sebelumnya. Uminingsih (2012) melaporkan hasil simulasi desain coreless transformer B-456


ISSN: 1979-911X

menggunakan program Vizimag, namun kelemahan program ini tidak mampu menvisualisasi watak output coreless transformer. Sedangkan bagaimana pengaruh parameter input trafo terhadap watak output trafo coreless adalah sangat penting untuk dipahami dan dikaji agar memberikan disain trafo sesuai yang diinginkan. Untuk memudahkan memahami watak trafo coreless maka persamaan matematik dari model rangkaian ekuivalen trafo coreless akan diselesaikan dengan pemprograman MATLAB.7. Dengan adanya fasilitas visualisasi pada software MATLAB (Knight,1999) seperti PLOT dan GUI(Graphical User Interface) maka dihasilkan suatu program aplikasi visualisasi trafo coreless yang menarik dan interaktip. Dari hasil pemrograman visualisasai, kemudian dilakukan simulasi maka hasil simulasi dapat digunakan untuk memahami watak trafo coreless terhadap perubahan parameter.sehingga dapat membantu mempermudah melakukan desain. trafo coreless tersebut. .. Hal ini tentunya sangat bermanfaat dalam desain trafo sehingga sesuai yang diharapkan METODE Secara garis besar pada penelitian ini dilakukan tiga kerja pokok yaitu membuat visualisasi, validasi dan simulasi. Visualisasi untuk mempermudah memahami watak trafo coreless, sedangkan validasi untuk menverifikasi atau banch-marking kebenaran perhitungan output trafo oleh program aplikasi visualsisasi yang dibuat. Persiapan bahan dan alat Pembuatan program visualisasi Validasi program Melakukan simulasi Analisis hasil simulasi

Gambar 1: Skema Tahapan pelaksanaan penelitian Simulasi dilakukan untuk berbagai parameter trafo coreless sehingga akan dapat disimpulkan parameter dominan dari trafo coreless Secara garis besar tahapan penelitian dilukiskan pada Gambar 1. Bahan penelitian yang digunakan terdiri dari: rumus trafo coreless persamaan tegangan output yang akan dieselesaikan dengan pemrograman MATLAB ver .7. Trafo primer( V1= tegangan, L1=induktansi, C1=kapasitansi), Trafo sekunder(V2 = tegangan, L2=induktansi, C2=kapasitansi), k=coupling factor untuk membuat program aplilkasi visualsisai watak trafo corelesss, dan program aplikasi Vizimag untuk validasi program aplikasi visualisasi. Adapun alat yang digunakan adalah komputer . 2 kV

V (t )  2

2

1 2

(1  T )  4 k T

L

2

L

1

 w  w   w  w  sin  t  sin  t  2 2     2

1

2

1

(1 )

dengan T



 

2 1 2 2



L C L C 2

2

1

1

( 2 )

B-457


w

1

 

(1  T )  2

(1  T ) 2 (1  k

2

2

ISSN: 1979-911X

2

 4 k T

) (3)

w

2

 

(1  T )  2

(1  T ) 2 (1  k )

2

2

 4 k T

2

Dengan menggunakan program MATLAB versi 7 dapat dibuat program aplikasi visualisasi watak trafo coreless dari persamaan (1) yaitu untuk tahanan sangat kecil (Nol). Untuk tahanan tidak nol dapat diasumsikan bahwa sinyal output trafo akan teredam dengan faktor redaman exp(-t/R1C1). Pemrograman aplikasi visualisasi terdiri dari dua bagian yaitu pemrogaman visualisasi dengan input lewat editing M-FILE dan pemrogaman M-FILE INTERFACE yang memanfaatkan fasilitas GUI (Graphical User Interface) dengan input lewat interface dan shortcut program MATLAB (Gunadi Abdia,2006). Maksud dari permrograman cara pertama untuk mengecek bahwa pemrograman penyelesaian persamaan (1) serta visualisasinya satu sudah benar. Pemrograman cara kedua untuk menghasilkan program aplikasi visualisasi dan simulasi yang menarik dan interaktip. Start

L1 , C1, L2,C2,k, Delta, t awal,t takhir

f1 =1/(L1*C1)^.5 f2 =1 /(L2*C2)^.5 k=m/(L1*L2)^.5 r=(L2*C2)/(L1*C1) a=((1-r)^ 2+4*r*k^2)^.5 b=2-2*k^2 c=(1+r)-a d=(1+r)+a ω1=f1*(c/b)^.5 ω2=f2*(d/b)^.5 e=(L2/L1)^.5 g=( ω2 + ω 1)/2 h=( ω2 - ω1)/2 t=tawal +(Deltat*(J-1) x(j)=t V2(j)=(2*k*V1 *e/a)*Sin(g*t)*Sin(h*t)

J =n+1

DISP(X,V2 )) hsl = V2 T i=n+1 Y

plot(x,hsl) STOP

Gambar 2: Flowchart pemrogaman M-FILE visualisasi output trafo coreless

B-458


ISSN: 1979-911X

Flowchart pemrogaman aplikasi visualisasi dengan input lewat editing M-FILE seperti ditunjukkan pada Gambar 2.Pembuatan program aplikasi visualisasi.pemrograman M-FILE output trafo coreless dengan input lewat editing M-FILE menggunakan fasilitas FUNCTION PLOT(x,y), control statement FOR dan END. Fungsi statement FOR dan END untuk melakukan proses pengulangan selama kondisi eksperesi terpenuhi yaitu untuk menampilkan output trafo fungsi waktu pengamatan. Pembuatan pemrograman M-FILE digunakan untuk menghitung tegangan output trafo. Dalam hal ini ada tiga bagian pokok pada program tersebut meliputi bagian input(berisi parameter trafo coreless V1, C1, C2, L1, L2, K) termasuk R untuk trafo coreless tahanan tidak nol., bagian proses (untuk menghitung output yaitu tegangan output), dan bagian keluaran (menghasilkan visualisasi tegangan output trafo V2). Pemrograman M-FILE ini kemudian diberi nama “coba”. Pemrogaraman cara dua dengan input parameter melalui interface. Pemrogaman M-FILE INTERFACE memanfaatkan fasilitas GUI (Graphical User Interface) menghubungkan data yang masuk lewat M-FILE INTERFACE (sebagai program induk) dengan program aplikasi M-FILE “coba”(sebagai anak) Pemrograman M-FILE “less” terdiri dari beberapa langkah seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Desain figure interface dilakukan sesui kebutuhan. diantaranya: navigasi inputan untuk semua parameter , dan navigasi melakukan exsekusi program (hitung, riset, kembali) serta tampilan untuk grafik seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Program anak harus dimodifikasi agar dapat berkomunikasi dengan program induk. Sebagai contoh untuk menghubungkan input parameter tegangan primer V1 lewat M-FILE “less” dengan M-FILE “coba” maka pada program M-FILE ‘coba’ digunakan command v1=str2num(get(findobj('tag','v1'),'string')) pada penulisan statemen parameter input, demikianhalnya untuk parameter input lainnya. start

Membuat Figure

Membuat frame input trafo, eksekusi M-file ‘core’,dan frame tampilan grafik

Membuat/membaca String dan Tag parameter input trafo

Eksekusi program dg CALLBACK

riset

Menampilkan grafik output trafo

stop

Gambar 3: Flowchart pemrograman M-FILE ‘less’ Dalam hal ini digunakan fasilitas fungsi get(findobj(‘tag’,’x’), ’string’) dari MATLAB untuk mengambil data ‘tag’ yang bersesuaian dengan ‘string’. Program M-FILE “coba” yang dimodifikasi selanjutnya deberi nama “core”. Program M-FILE “core” ini akan dapat dieksekusi oleh program MFILE “less” dengan bantuan fungsi CALLBACK. B-459


ISSN: 1979-911X

Melakukan validasi artinya mencari kebenaran dari hasil simulasi dengan cara membandingkan dengan instrument lain yang fungsi kerja dan sasarannya sama. Dalam hal ini sebagai pembanding dipilih program desain trafo. VIZIMAG Dengan cara memasukkan parameter trafo yang sama besarnya pada program VIZIMAG dan MATLAB maka akan kita lihat bagaimana hasil tegangan outputnya. Pada program vizimag parameter input berupa jumlah lilitan, sedangkan pada MATLAB tidak ada masukan jumlah lilitan tapi yang ada induktan (L). Oleh karena itu perlu adanya konversi, yang dalam hal ini menggunakan rumus empirik pada acuan (3). V-Primer( kV) L-Primer(µH) C-Primer(µF) L-sekunder(mH) C-Sekunder(nF) Faktor-k t-awal t-akhir Delta(second)

Fre

Hitung Reset

Grafik Kembal

Gambar 4: Disain Tampilan GUI untuk tahanan R nol Setelah Program Aplikasi Visualisasi MATLAB tervalidasi maka selanjutnya bisa dilakukan simulasi dengan memvariasi beberapa parameter input trafo yang dapat mempengaruhi secara signifikan terhadap hasil dari outputnya. Variasi parameter simulasi yang dilakukan pada pengaruh L1, C1 dan k untuk parameter input lainnya tetap. Hasil simulasi ini selanjutnya dibuat grafik ,dan dilakukan analisis untuk menyimpulkan bagaimana pengaruh perubahan nilai parameter terhadap besar tegangan output serta akan diperoleh parameter dominan yang menghasilkan tegangan output trafo optimum. PEMBAHASAN Hasil visualisasi dan simulasi trafo coreless dengan menggunakan program MATLAB dibahas secara sistimatik dan detail berdasarkan urutan tahapan penelitian pada metode penelitian sebagai berikut. Untuk mengetahui keberhasilan pembuatan program visualisasi trafo core less menggunakan MATLAB dilakukan eksekusi program visualisasi dengan input lewat editing M-FILE. Hasil eksekusi dengan input parameter trafo L1= 42 µH, C1= 64 nF, L2= 70 mH, C2= 32 pF, dan k= 0,5 dengan waktu

b) V1=20kV

a) V1=10kV

Gambar 5: Hasil visualisasi trafo coreless dengan input editing M-FILE, R=0 B-460


ISSN: 1979-911X

Pengamatan 2 detik dan jendela pengamatan 0,01 detik.diperoleh tegangan output trafo sekunder sebesar 420 kV untuk V1= 10 kV, dan menghasilkan tegangan output trafo sebesar 840 kV untuk V1= 20 kV, seperti ditunjukkan pada Gambar 5 a dan b. Hasil uji eksekusi program aplikasi visualisasi M-FILE INTERFACE dengan input parameter sama seperti diatas pada V1 = 10 kV untuk tahanan nol dan tidak nol (R=5 Ω) seperti ditunjukkan pada Gambar 6 a dan b. Terlihat bahwa adanya R menyebabkan sinyal output trafo teredam dan besarnya output trafo berkurang sekitar 30%.

a) R=0 b) R=5Ω Gambar 6: Hasil visualisasi trafo coreless dengan M-FILE INTERFACE Untuk meyakinkan program visualisasi MATLAB yang dibuat adalah benar diperlukan verifikasi dengan melakukan komparasi unjuk kerja (benchmarking) terhadap program yang sejenis. Dalam hal verifikasi ini program Vizimag digunakan untuk mendesain trafo coreless bentuk solonoida dengan dimensi sekunder diameter 40 cm dan tinggi 150 cm, serta jumlah lilitan sekunder 970. Berdasarkan hasil konversi maka besarnya induktansi sekunder sebesar 88,2 mH. Besarnya kapasitansi sekunder ditentukan secara empirik sebesar 27,8 pF, sehingga besarnya frekuensi sekunder adalah 58,2 kHz. Pada trafo coreless dipersyaratkan terjadi resonansi sehingga besarnya frekuensi primer sama dengan frekuensi sekunder. Karena kapasitansi primer ditentukan sebesar 0,1µF maka besarnya induktansi primer dapat dihitung

yaitu 74,8µH. Induktansi ini bersesuaian dengan jumlah

lilitan primer sebesar 10 berdasarkan persamaan konversi. Dengan menggunakan tegangan input yang sama yaitu 10 kV maka dilakukan verifikasi dengan hasil seperti diperlihatkan pada Gambar 7 a dan b. a) b)

Gambar 7 :Hasil visualisasi tegangan output trafo menggunakan VIZIMAG Dari hasil perhitungan bila dibandingkan antara program vizimag dan program visualiasi matlab dengan nilai parameter input trafo yang sama diperoleh hasil tegangan output yang relatif sama yaitu sebesar 187 kV untuk program Vizimag dan 190 kV untuk program visualisai Matlab. Dapat disimpulkan bahwa program aplikasi visualisasi trafo coreless MATLAB sudah benar sehingga dapat digunakan untuk simulasi trafo. Sebelum melakukan simulasi lebih jauh diamati pengaruh lama (t-akhir) dan jeda (delta) waktu pengamatan terhadap tampilan hasil simulasi. Gambar 8a memperlihatkan hasil tampilan simulasi untuk lama pengamatan 2 detik dengan jeda pengamatan 0,01 detik. Sedangkan Gambar 8b memperlihatkan hasil tampilan simulasi untuk lama pengamatan 2 detik dengan jeda pengamatan 0,1 detik. Terlihat bahwa pemilihan delta yang tepat akan menghasilkan tampilan yang mudah dibaca dan dianalisis. Dari hasil grafik akan berubah polanya bila besar delta berubah-ubah. Bila diambil harga B-461


ISSN: 1979-911X

delta yang cukup kecil (0,01 detik) maka proses penghitungan semakin lama. untuk menampilkan hasil akhirnya namun hasilnya lebih mudah dianalisis jika dibandingkan dengan delta waktu pengamatan yang besar (0,1 detik) Hasil simulasi pengaruh kapasitor, dan induktansi primer serta faktor coupling terhadap output trafo dilakukan pada kondisi parameter input trafo lainnya tetap sedangkan lama waktu dan jeda pengamatan disesuaikan untuk mempermudah pembacaan. Ringkasan hasil pengamatan simulasi seperti ditunjukkan pada Tabel 1, Tabel 2, dan Tabel 3..

a) Delta=0,01 detik b) Delta=0,1 detik Gambar 8: Tampilan pola tegangan output sinyal trafo untuk delta yang berbeda Dari hasil pengamatan simulasi trafo pada Tabel 1 menunjukkan bahwa semakin besar nilai kapasitor primer maka besar tegangan output yang dihasilkan semakin besar, sedangkan frekuensinya semakin kecil. Perbandingan induktansi primer terhadap sekunder jelas sangat mempengaruhi tegangan output trafo karena induktansi berkorelasi dengan jumlah lilitan. Tabel 1. Hasil pengamatan pengaruh kapasitor primer terhadap tegangan output trafo Capasitor Primer(C1) 34 nF 44 nF 54 nF 64 nF 74 nF 100 nF

Tegangan Output(Vs) 300 kV 350 kV 360 kV 460 kV 470 kV 480 kV

Frekuensi (f) 133.132 kHz 117.029 kHz 105.639 kHz 97.035 kHz 90.24 kHz 77.4. kHz

Tabel 2. Hasil pengamatan pengaruh induktansi primer terhadap tegangan output trafo Induktansi Primer(µH) 10 50 100 200 300 400 500 600 1000

Tegangan Output(kV) 240 300 210 150 145 140 120 100 60

Frekuensi (kHz) 198,86 88,93 62,88 44,46 36,30 31,44 28,12 25,67 19,88

Dari hasil pengamatan simulasi tegangan output pada Tabel 2 terlihat bahwa adanya nilai maksimum output trafo pada induktansi sekitar 50 µH. .Dari hasil pengamatan faktor coupling pada Tabel 3 terlihat bahwa untuk nilai faktor coupling yang lebih besar akan menghasilkan tegangan output yang lebih besar kemudian mencapai jenuh untuk nilai k lebih besar 0,5. B-462


ISSN: 1979-911X

Untuk simulasi trafo dengan R tidak nol hanya dilakukan hanya satu simulasi karena pada prinsipnya akan menghasilkan factor redaman yang sama, dalam hal ini diamati pengaruh parameter input trafo faktor coupling. Adapun hasil simulasi seperti diperlihatkan pada Tabel 4. Terlihat dari hasil simulasi bahwa seperti diduga sebelumnya bahwa besarnya tegangan output lebih kecil jika dibandingkan dengan hasil simulasi dengan tahanan R nol. Dengan bertambah besarnya nilai faktor coupling maka tegangan output yang dihasilkan akan semakin besar seperti halnya pada trafo tahanan R nol. Tabel 3. Hasil pengamatan pengaruh faktor coupling terhadap tegangan output trafo Coupling ( k) 0,005 0,01 0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 0,9

Tegangan Output(Vs) 25 kV 50 kV 340 kV 450 kV 450 kV 480 kV 480 kV 480 kV

Frekuensi ( f) 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz 97,0355 Hz

KESIMPULAN Berdasarkan uraian diatas maka yang dapat disimpulkan sebagai berikut : 1). Telah berhasil dibuat program aplikasi visualisasi trafo coreless menggunakan MATLAB yang interaktip dan tervalidasi. 2). Untuk mendapatkan hasil tampilan visualisasi suatu simulasi yang baik dan benar maka peran lama waktu dan jeda pengamatan sangat menentukan. 3). Hasil simulasi pengaruh parameter input trafo terhadap watak output trafo untuk tegangan primer yang tetap (10 kV) adalah sebagai berikut : a). Semakin besar nilai kapasitor yang terpasang, maka besar tegangan output semakin besar pula; b). Perubahan induktansi primer menunjukkan adanya nilai tegangan output trafo maksimum disekitar 50 µH; c). Semakin besar nilai coupling coefficient, maka besar tegangan output semakin besar kemudian mencapai kejenuhan disekitar k=0,6; d) dengan adanuya R=5Ω tegangan output menjadi 1,6.105 s/d -1,5.105 kV. DAFTAR PUSTAKA Abdia, G,(2006). Away, the shortcut of Matlab. Informatika Bandung Auslender, V.L., Panfilov, A.D., Tkachenko, V.O.,Tuvik A.A. (1999). Powerfull high frequency electron accelerator ILU-11 for energy range up to 5 MeV. Proc. of ECAART-99 Conference, Dresden. Freedman, R.A. dan Young. (2003), University Physics, Mc Graw Hill, USA Knight,A (1999). Basics of Matlab and Beyond. CHAPMAN & HALL/CRC. Marco, D, (2001). Tesla Transformer for Experimentation and Research. Espoossa : Electrical and Communications Engineering Syamsir, A,. Teknik Tegangan Tinggi, Jakarta: Salemba Teknika Pernia, A.M., et.all., (2007), Transcutaneous microwave activation system using coreless transformer. Sensor and Actuator A:Physical. volume 136. issue 1. May .pages 301-320 Sulistiyanto, A (2010), Simulasi Desain Penentuan Parameter Coreless Transformer (Transformator tanpa inti), SKIPSI, Strata S-1, UNY, Yogyakarta. Tleis,N.D,, (2008), Modeling of transformer, static power plant and static load. Journal of Power System Modeling and Fault Analysis. pages 200-300 Uminingsih, (2012), Simulasi Desain Trafo Coreless Menggunakan VIZIMAG. Jurnal Teknologi Technoscientia. Vol.4 No.2 Februari 2012

B-463

VIZUALISASI WATAK TRAFO CORELESS MENGGUNAKAN MATLAB

Recommend Documents