i

RANCANG BANGUN PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI

IMPULS MENGGUNAKAN RANGKAIAN RLC

(Skripsi)

Oleh

DEDY DIAN FERNANDO PARHUSIP

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

ABSTRAK

RANCANG BANGUN PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS

MENGGUNAKAN RANGKAIAN RLC

Oleh

DEDY DIAN FERNANDO PARHUSIP

Tegangan impuls adalah tegangan yang digunakan untuk menguji peralatan

tegangan tinggi. Karakteristik tegangan tinggi impuls yang sesuai standar

diperlukan untuk menjamin keberhasilan pengujian peralatan tegangan tinggi.

Tegangan impuls yang dibangkitkan akan digunakan untuk keperluan praktikum di

Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Universitas Lampung. Pada penelitian ini,

pembangkitan tegangan tinggi impuls dibuat dengan menggunakan rangkaian RLC.

Komponen yang digunakan terdiri atas resistor kawat dengan daya sebesar 10 W,

induktor inti udara dan kapasitor non-polar dengan kapasitansi sebesar 0,22 µF.

Sebelum generator impuls direalisasikan, dilakukan simulasi terhadap spesifikasi

komponen menggunakan PSIM (power simulation). Rangkaian disusun untuk

menghasilkan tegangan impuls surja petir yang sesuai dengan standar IEC 60060-

1. Generator impuls yang dibangun menghasilkan tegangan output dengan waktu

muka (Tf) 4 µs dan waktu ekor (Tt) 57 µs. Ketidaksesuaian hasil yang diperoleh

dengan simulasi diakibatkan oleh induktansi yang terdapat pada resistor kawat yang

digunakan.

Kata kunci:Tegangan impuls, pembangkitan tegangan tinggi impuls, IEC 60060-1

ABSTRACT

DESIGN AND BUILD HIGH VOLTAGE IMPULSE GENERATORS

USING RLC CIRCUIT

By

DEDY DIAN FERNANDO PARHUSIP

Impulse voltage is a voltage that used for high voltage equipment testing. The

standard impulse voltage is required to provide success high voltage equipment

testing. The voltage impulse generated will be used in practical courses at High

Voltage Laboratory University of Lampung In this research, high voltage impulse

generator is created using RLC circuit. The components are consist of a wirewound

resistor with a power of 10 W, an air core inductor and non-polar capacitor with a

capacitance of 0,22 µF. Before the impulse generator is realized, the circuit design

has been simulated using PSIM (power simulation). The circuit is arranged to

produce lightning surge impulse voltages in accordance with IEC 60060-1 standard.

The voltage output of the impulse generator has face time (Tf) 4 µs and tail time

(Tt) 57 µs. The output voltage of the simulation by PSIM and the created generator

is different due to the inductance contained in the wirewound resistor.

Keywords : Impulse voltage, high voltage impulse generator, IEC 60060-1

RANCANG BANGUN PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI IMPULS

MENGGUNAKAN RANGKAIAN RLC

Oleh:

Dedy Dian Fernando Parhusip

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Duri pada tanggal 28 Agustus 1997,

sebagai anak kedua dari lima bersaudara pasangan

A.Parhusip dan M. Sinaga.

Jenjang pendidikan yang ditempuh oleh penulis dimulai dari

Sekolah Dasar Negeri No. 173686 Nainggolan diselesaikan pada tahun 2009,

Sekolah Menengah Pertama Negeri 1 Nainggolan diselesaikan pada tahun 2012,

dan Sekolah Menengah Atas Negeri 2 Balige diselesaikan pada tahun 2015.

Penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas

Teknik Universitas Lampung pada tahun 2015 melalui jalur SBMPTN. Selama

menjadi mahasiswa, penulis pernah menjadi Asisten Mata Kuliah Gambar Teknik,

Asisten Mata Kuliah Probabilitas dan Statistika, Asisten Mata Kuliah Rangkaian

Listrik, Asisten Mata Kuliah Praktikum Teknik Tegangan Tinggi dan aktif di

Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Lampung (Himatro Unila)

sebagai Sekretaris Departemen Pengembangan Keteknikan pada tahun 2016-207

serta sebagai Kepala Departemen Pendidikan dan Pengembangan Diri pada tahun

2017. Pada tahun 2018 penulis melaksanakan kerja praktik di PT. Great Giant

Pineapple (GGP) sektor pembangkitan.

PUJI DAN SYUKURKU KEPADA

TUHAN YESUS KRISTUS

Dan

Karya ini kupersembahkan untuk

Bapak Tercinta dan Mama Tercinta

A. Parhusip dan M. Sinaga

Kakak dan Adik-Adikku Tersayang

MentIka Parhusip

Jelita Parhusip

Fanny Parhusip

Rehan Parhusip

Keluarga Besar, Dosen, Teman, dan Almamater.

10

MOTTO

“SERAHKANLAH KUATIRMU KEPADA

TUHAN, MAKA IA AKAN MEMELIHARA

ENGKAU! TIDAK UNTUK SELAMA-

LAMANYA DIBIARKAN-NYA ORANG BENAR

ITU GOYAH”

[MAZMUR 55 : 23]

“SEGALA PERKARA DAPAT KU TANGGUNG

DI DALAM DIA YANG MEMBERI KEKUATAN

KEPADA KU”

(Filipi 4 : 13)

SANWACANA

Puji dan syukur sebesar-besarnya kepada Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah

memberikan berkat-Nya dan kesempatan kepada penulis sehingga dapat

menyelesaikan skripsi ini. Skripsi dengan judul “Rancang Bangun Pembangkitan

Tegangan Tinggi Impuls Menggunakan Rangkaian RLC”. Ini adalah salah satu

syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, baik

dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan skripsi ini sangatlah sulit bagi

penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima

kasih kepada :

1. Bapak Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Lampung.

2. Bapak Dr. Herman Halomoan Sinaga, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik

Elektro Universitas Lampung;

3. Bapak Dr. Henry B. H. Sitorus, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Utama

atas kesediaan, arahan, saran, dorongan semangat dan Motivasi kepada penulis

dalam proses penyelesaian skripsi ini;

xii

4. Ibu Dr. Eng. Diah Permata, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Kedua atas

kesediaan, arahan, saran, serta dorongan semangat dalam proses penyelesaian

skripsi ini;

5. Bapak Dr. Herman H. Sinaga, S.T., M.T. selaku Dosen Penguji yang telah

berkenan memberikan masukan, kritik, dan saran dalam penyelesaian skripsi

ini;

6. Ibu Umi Murdika, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik atas

bimbingannya selama penulis menempuh masa studi di Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung;

7. Mbak Dian Rustiningsih (Ning) atas bantuannya dalam mengurus masalah

administrasi selama penulis menjadi mahasiswa;

8. Bapak dan ibu dosen yang telah memberikan ilmu dan wawasan selama penulis

menimba ilmu di Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung;

9. Kedua Orang Tuaku Tercinta Bapakku A. Parhusip dan Mamaku M. Sinaga,

Kakakku Mentika Parhusip, Adek Jelita Parhusip, Adek Fanny Parhusip, Adek

Rehan Parhusip, terima kasih atas doa dan dukungan semangat serta menjadi

motivasi kepada kami untuk menyelesaikan skripsi ini.

10. Sahabat, saudara, dan kawan seperjuangan EIE yang tidak bisa disebutkan

namanya satu-persatu atas kebersamaan, persaudaraan, motivasi, dukungan,

serta kisah yang takkan terlupa sepanjang masa.

11. Teman-teman satu konsentrasi Teknik Tenaga Listrik (TTL) atas dukungan dan

kisahnya.

12. FKMK-FT sebagai tempat pelayanan terbaik yang memberikan pengalaman

berharga di dunia perkuliahaan ini.

xiii

13. Teman-teman 19 G pengurus FKMK-FT atas kebersamaan dalam pelayanan

dan pertumbuhan rohani dalam perkuliahan ini

14. Seluruh Civitas Jurusan Teknik Elektro.

Setiap karya yang dibuat oleh manusia, tidak lepas dari kesalahan. Begitupun,

dengan tugas akhir ini. Kami menyadari masih banyak kekurangan, dengan segala

kerendahan hati kami memohon maaf.

Bandar Lampung, Desember 2019

Penulis

Dedy Dian Fernando Parhusip

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI ....................................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL............................................................................................... xvi

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xvii

BAB 1. PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang.......................................................................................... 1

1.2. Tujuan Penelitian ...................................................................................... 2

1.3. Rumusan Masalah .................................................................................... 2

1.4. Batasan Masalah ....................................................................................... 2

1.5. Manfaat ..................................................................................................... 3

1.6. Hipotesis ................................................................................................... 3

1.7. Sistematika Penulisan ............................................................................... 3

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5

2.1. Penelitian Terdahulu ................................................................................ 5

2.2 Tegangan Tinggi Impuls .......................................................................... 6

2.2.1. Pengertian ................................................................................................. 6

2.2.2. Pembangkitan Tegangan Impuls .............................................................. 8

2.3. Menghitung Nilai Komponen Rangkaian Pembangkitan

Tegangan Tinggi Impuls ................................................................................. 10

2.3.1. Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls ..................................................... 10

2.3.2. Nilai Maksimum dan Efisiensi Tegangan ................................................... 12

2.3.3. Menentukan Nilai R-L-C ........................................................................ 12

2.3.4. PSIM ....................................................................................................... 14

BAB 3. METODE PENELITIAN .................................................................... 16

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................ 16

xv

3.2. Alat dan Bahan ....................................................................................... 16

3.3. Diagram Alir Penelitian ......................................................................... 17

3.4. Metodologi Penelitian ............................................................................ 19

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 21

4.1. Menghitung Parameter Generator Impuls .............................................. 21

4.2. Simulasi .................................................................................................. 23

4.3. Pembuatan Alat ...................................................................................... 25

4.3.1. Kapasitor................................................................................................. 26

4.3.2. Sela Picu ................................................................................................. 27

4.3.3. Induktor .................................................................................................. 28

4.3.4. Resistor ................................................................................................... 29

4.3.5. Osiloskop ................................................................................................ 29

Pembagi Tegangan Resistif ................................................................................... 31

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 44

5.1. KESIMPULAN ...................................................................................... 44

5.2. SARAN .................................................................................................. 45

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1. Hubungan k dan lnβ ............................................................................. 14

Tabel 4.1. Data hasil simulasi dengan nilai induktansi yang berbeda .................. 40

Tabel 4.2. Data hasil percobaan dengan nilai induktansi yang berbeda ............... 41

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2. 1 (a) impuls surja hubung, (b) impuls terpotong, (c) impuls

terpotong impuls petir ................................................................................. 7

Gambar 2. 2 Tegangan impuls ................................................................................ 7

Gambar 2. 3 Rangkaian pgenerator impuls R-C ..................................................... 8

Gambar 2. 4 Rangkaian generator impuls R-L-C ................................................... 8

Gambar 2. 5 Generator marx ................................................................................... 9

Gambar 2. 6 Rangkaian ekuivalen generator impuls R-L-C ................................. 11

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian ..................................................................... 18

Gambar 3. 2 Rangkaian generator impuls menggunakan rangkaian R-L-C ......... 19

Gambar 3. 3 Rangkaian simulasi .......................................................................... 20

Gambar 4. 1 Rangkaian simulasi generator impuls .............................................. 24

Gambar 4. 2 Gelombang output generator impuls ................................................ 25

Gambar 4. 3 Kapasitor .......................................................................................... 26

Gambar 4. 4 Sela picu elektrik-mekanik ............................................................... 27

Gambar 4. 5 Induktor ............................................................................................ 28

Gambar 4. 6 Resistor ............................................................................................. 29

Gambar 4. 7 Osiloskop Gw instek GDS-1102-U .................................................. 30

Gambar 4. 8 Proteksi sela jarum dan dioda zener ................................................. 32

xviii

Gambar 4. 9 Generator impuls menggunakan rangkaian RLC tampak

samping ..................................................................................................... 32

Gambar 4. 10 Generator impuls menggunakan rangkaian RLC tampak atas ....... 33

Gambar 4. 11 Gelombang output generator impuls dengan catu daya

osiloskop ke sumber PLN ......................................................................... 34

Gambar 4. 12 Gelombang output generator impuls .............................................. 34

Gambar 4. 13 Gelombang output generator impuls dengan catu daya

osiloskop terhubung ke trafo ..................................................................... 36

Gambar 4. 14 Hasil simulasi dengan L=60 µH ..................................................... 37

Gambar 4. 15 Gelombang output saat L=60 µH saat catu daya osiloskop

terhubung ke sumber PLN ........................................................................ 38

Gambar 4. 16 Gelombang output saat L=60 µH dengan catu daya

osiloskop terhubung ke trafo ..................................................................... 39

Grafik 4. 1 Hubungan induktansi terhadap waktu muka pada hasil simulasi

dan percobaan............................................................................................ 42

Grafik 4. 2 Hubungan induktansi terhadap waktu ekor pada hasil simulasi

dan percobaan............................................................................................ 42

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Tegangan impuls merupakan gangguan transmisi dan distribusi listrik akibat

tegangan yang memiliki amplitudo yang sangat besar. Tegangan impuls terjadi

akibat operasi hubung-buka (switching operation) pada sistem tenaga listrik atau

karena sambaran petir. Dalam perkembanganya, tegangan tinggi impuls digunakan

untuk pengujian peralatan tenaga listrik dan penyelidikan mekanisme tembus listrik

bahan isolasi. Tegangan impuls diperoleh dari alat pembangkitan tegangan tinggi

impuls yang terdiri atas generator impuls RLC, generator impuls RC, dan generator

impuls rangkaian marx.

Laboratorium TTT (Teknik Tegangan Tinggi), Laboratorium Terpadu Teknik

Elektro Universitas Lampung tidak mempunyai pembangkitan tegangan impuls,

sehingga diperlukan suatu alat yang mampu menghasilkan tegangan tinggi impuls.

Pembangkitan tegangan tinggi impuls ini akan digunakan untuk melakukan

pengujian pada peralatan tegangan tinggi di laboratorium. Gelombang output alat

tersebut adalah gelombang impuls petir. Kegunaan lainnya alat pembangkitan

tegangan tinggi impuls tersebut adalah untuk keperluan penelitian bagi mahasiswa

dan keperluan praktikum di laboratorium.

2

1.2. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah membuat pembangkitan tegangan tinggi impuls

tegangan output yang dihasilkan sebesar 20 kV, 1,2/50 μs sesuai dengan standar

IEC 60060-1.

1.3. Rumusan Masalah

Penelitian ini difokuskan kepada:

1. Bagaimana mendesain rancangan generator impuls menggunakan rangkaian

R-L-C

2. Pembangkitan menghasilkan tegangan tinggi impuls 20 kV, 1,2/50 µs sesuai

standar IEC 60060-1.

1.4. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah:

1. Desain dan pembuatan alat yang mampu menghasilkan tegangan impuls sesuai

standar IEC 60060-1.

2. Tidak membahas secara rinci mengenai peralatan tegangan tinggi dan objek-

objek yang berkaitan dengan sifat-sifat listrik komponen.

3

1.5. Manfaat

Penelitian ini diharapkan menjadi langkah awal bagi penelitian lebih lanjut dalam

rangka memenuhi kebutuhan Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi Universitas

Lampung akan pemanfaatan tegangan tinggi impuls dan dapat digunakan sebagai

bahan praktikum tegangan tinggi impuls di Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi

Universitas Lampung.

1.6. Hipotesis

Tegangan impuls yang dibangkitkan menghasilkan tegangan impuls sebesar 20 kV

dan gelombang tegangan impuls yang dihasilkan sesuai dengan standar IEC 60060-

1 yaitu sebesar 1,2/50 µs.

1.7. Sistematika Penulisan

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan latar belakang, masalah, tujuan tugas akhir, manfaat tugas

akhir, perumusan masalah, batasan masalah, hipotesis, dan sistematika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini memaparkan teori pendukung dan referensi materi tugas akhir yang diambil

dari beberapa penelitian ilmiah dan buku yang digunakan dalam penulisan laporan

tugas akhir ini.

4

BAB III. METODE PENELITIAN

Bab ini memaparkan waktu dan tempat peneltian, alat dan bahan, metode, dan

pelaksanaan serta pengamatan dan pengerjaan tugas akhir.

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini nenjelaskan hasil penelitian dan pembahasan dari tugas akhir ini

BAB V. SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini menjelaskan kesimpulan yang berdasar pada data hasil dan pembahasan

tugas akhir ini.

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian Terdahulu

Penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan penelitian ini adalah penelitian

yang dilakukan oleh Irpan Logitra Purba dkk tahun 2013 dari Universitas

Diponegoro yang telah membuat perancangan pembangkitan tegangan tinggi

impuls untuk mengurangi jumlah bakteri pada cairan susu perah. Pada penelitian

ini tegangan tinggi impuls yang dibangkitkan menggunakan cuk converter dan

flyback converter dengan tegangan impuls yang dapat dibangkitkan adalah 3

sampai 7 kV.

Penelitian lainnya adalah penelitian yang dilakukan oleh Johanes Nugroho Adhi

Prakosa dkk tahun 2015 dari Universitas Diponegoro yang membahas perancangan

pembangkit tegangan tinggi impuls berbais konverter flyback. Pada penelitian ini

menggunakan konverter flyback dan mosfet. Penelitian ini berhasil membangkitkan

tegangan impuls sebesar 24,92 kV.

Penelitian lain adalah penelitian yang dilakukan oleh Tofan Bimatara dkk tahun

2016 dari Universitas Diponegoro yang telah membahas kinerja rangkaian RC dan

RLC dalam pembangkitan tegangan tinggi impuls. Pada penelitian ini tegangan

6

tinggi impuls berhasil dibangkitkan, dengan rangkaian R-L-C memiliki efisiensi

lebih baik dari rangkaian R-C.

Berdasarkan penelitian di atas, belum ditemukan adanya penelitian tentang

pembangkitan tegangan tinggi impuls menggunakan rangkaian R-L-C dengan

gelombang output sebesar 20 kV, 1,2/50 µs dengan spesifikasi komponen yang

digunakan pada penelitian ini. Kapasitor yang digunakan pada penelitian ini adalah

non-polar super farad capacitor. Sebelum merealisasikan pembangkitan tegangan

impuls tersebut, dilakukan simulasi menggunakan software PSIM (Power

Simulation). Simulasi dilakukan untuk menguji apakah spesifikasi komponen hasil

perhitungan telah sesuai untuk menghasilkan gelombang impuls petir berdasarkan

standar IEC 60060-1.

2.2 Tegangan Tinggi Impuls

2.2.1. Pengertian

Tegangan tinggi muncul pertama sekali ketika petir menyambar kabel fasa saluran

udara dari gardu outdoor. Tegangan sambaran pertir tersebut memiliki nilai yang

sangat tinggi hingga mencapai 1000 kV atau lebih dan setiap sambaran

menginjeksikan arus sekitar 100 kA [7].

Tegangan impuls terdiri atas tiga yaitu tegangan impuls petir, tegangan impuls surja

hubung, dan tegangan impuls hubung terpotong [1], yang diperlihatkan pada

Gambar 2.1:

7

(a) (b) (c)

Gambar 2. 1 (a) impuls surja hubung, (b) impuls terpotong, (c) impuls petir

Tegangan impuls dinyatakan dalam 3 besaran yaitu tegangan puncak (Vmaks), waktu

muka (Tf), dan waktu ekor (Tt) yang dinyatakan pada Gambar 2.2:

Gambar 2. 2 Tegangan impuls

Pembangkitan tegangan tinggi impuls disebut generator impuls. Dalam praktiknya,

generator impuls membangkitkan tegangan yang berosilasi pada puncak tegangan

yang menyebabkan besar tegangan puncak melebihi tegangan yang diharapkan.

Kelebihan tegangan puncak (∆V) karena osilasi ini dapat ditolerir hingga 0.05

Vmaks. Waktu muka dan waktu ekor yang dihasilkan generator impuls juga tidak

selalu tepat seperti yang diinginkan. Untuk tegangan impuls petir, penyimpangan

waktu muka (Tf) adalah ±30%, sedangkan penyimpangan waktu ekor (Tt) adalah

±20%. Untuk tegangan impuls hubung-buka, penyimpangan waktu muka (Tf)

8

adalah ±20%, sedangkan penyimpangan waktu ekor (Tt) adalah ±60%. Dengan

demikian, waktu muka dan waktu ekor dapat dituliskan sebagai berikut:

• Tegangan impuls petir : Tf × Tt = (1,2 ± 30%) × (50 ± 20%) µs

• Tegangan impuls hubung-buka = Tf × Tt = (250 ± 20%) × (2500 ± 60%) µs [1].

2.2.2. Pembangkitan Tegangan Impuls

Tegangan tinggi impuls dapat dibangkitkan dengan berbagai metode baik dengan

menggunakan rangkaian R-L-C, rangkaian R-C, dan rangkaian Marx. Berikut

adalah gambar rangkaian pembangkitan tegangan tinggi impuls menggunakan

rangkaian RC, rangkaian RLC, dan rangkaian Marx:

Gambar 2. 3 Rangkaian generator impuls R-C

Gambar 2. 4 Rangkaian generator impuls R-L-C

9

Rp

Rd

ReF

F

F

Cp

V

VoCb

Pengisian

Rp

Vdc

D

~

Rp

Re

ReCp

Cp

Rd

Rd

Pengosongan

Gambar 2. 5 Generator marx

Setiap rangkaian akan terhubung dengan pembangkitan tegangan tinggi DC

(HVDC) melalui tahanan pengisian Rs. Nilai tahanan Rs dibuat besar untuk

menghambat muatan yang datang dari sumber tegangan tinggi DC selama proses

pelepasan muatan dari kapasitor C berlangsung saat sela picu dioperasikan sehingga

muatan yang mengalir hanya berasal dari kapasitor C [3].

Generator impuls membutuhkan alat yang disebut sela picu untuk menghubungkan

rangkaian satu dengan yang lainnya dalam waktu yang sangat cepat. Sela picu

terdiri atas dua jenis yaitu sela picu elektro-mekanik dan sela picu elektronik, dan

pada penelitian ini menggunakan sela picu elektro mekanik. Sela picu elektro

mekanik adalah sela picu yang terdiri atas dua buah elektroda bola. Elektroda satu

dihubungkan pada isolator pendukung dan elektroda bola lainnya dihubungkan

10

pada isolator silinder yang dapat diputar. Saat kedua elektroda dihubungkan ke

suatu sumber tegangan akan terjadi percikan pada sela kedua elektroda bola

sehingga kedua elektroda terhubung sesaat, dan kemudian kedua elektroda akan

kembali terpisah karena elektroda bola yang terhubung dengan isolator silinder

akan bergerak menjauhi arah elektroda yang lain..

2.3. Menghitung Nilai Komponen Rangkaian Pembangkitan Tegangan

Tinggi Impuls

2.3.1. Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls

Generator impuls membutuhkan komponen khusus untuk menghasilkan tegangan

yang diinginkan [9]. Penelitian ini menggunakan rangkaian generator R-L-C,

karena memiliki efisiensi yang lebih baik dibandingkan generator R-C.

Persamaan arus pada rangkaian pembangkitan tegangan tinggi impuls adalah:

V = 1

𝐶 ∫ 𝑖 𝑑𝑡 + (𝑅𝑜 + 𝑅𝑠) 𝑖 + L

𝑑𝑖

𝑑𝑡 (2.1)

Tegangan kapasitor pemuat (V) adalah konstan terhadap waktu, sehingga

turunannya menjadi:

0 = 1

𝐶 𝑖 + (𝑅𝑜 + 𝑅𝑠) + L

𝑑2𝑖

𝑑𝑡2 (2.2)

atau

0 = 1

𝐶 𝑖 + R

𝑑𝑖

𝑑𝑡 + L

𝑑2𝑖

𝑑𝑡2 (2.3)

dengan

R = Ro + Rs (2.4)

Persamaan tersebut dapat diselesaikan menjadi

11

𝑖 =𝑉 (𝛼1+ 𝛼2)

𝑅 (𝛼1− 𝛼2) (휀−𝛼1𝑡- 휀−𝛼2𝑡) (2.5)

dengan

𝛼1 = −𝑅

2𝐿+ √(

𝑅

2𝐿)2 −

1

𝐿𝐶 (2.6)

𝛼2 = −𝑅

2𝐿− √(

𝑅

2𝐿)2 −

1

𝐿𝐶 (2.7)

Dengan mengatur nilai R, L, dan C maka nilai 𝛼1 dan 𝛼2 menjadi positif dengan

syarat:

(−𝑅

2𝐿) > √

1

𝐿𝐶 (2.8)

Tegangan output pembangkitan sama dengan tegangan pada reseistor Ro, yaitu

Vo = ἰ Ro (2.9)

Vo = 𝑉 𝑅𝑜 (𝛼1+ 𝛼2)

𝑅 (𝛼1− 𝛼2) (휀−𝛼1𝑡- 휀−𝛼2𝑡) (2.10)

Penyerhanaan persamaan tersebut adalah

Vo = K (휀−𝛼1𝑡- 휀−𝛼2𝑡) (2.11)

dengan

K = 𝑉 (𝛼1+ 𝛼2)

𝑅𝑜 (𝛼1− 𝛼2) (2.12)

Gambar 2. 6 Rangkaian ekuivalen generator impuls R-L-C

12

2.3.2. Nilai Maksimum dan Efisiensi Tegangan

Tegangan maksimum diperoleh dengan nilai waktu dari turunan pertama persamaan

2.10 sama dengan nol

Tf = −1

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2

𝛼1 (2.13)

Dari persamaan tersebut diperoleh

Vmaks = 𝑉 𝑅𝑜 (𝛼1+ 𝛼2)

𝑅 (𝛼1− 𝛼2) (휀

𝛼1

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2𝛼1- 휀

𝛼2

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2𝛼1) (2.14)

Efisiensi generator impuls diperoleh dari perbandingan antara nilai maksimum

tegangan output terhadap tegangan pada kapasitor pemuat C.

η = 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠

𝑉 =

𝑅𝑜 (𝛼1+ 𝛼2)

𝑅 (𝛼1− 𝛼2) (휀

𝛼1

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2𝛼1- 휀

𝛼2

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2𝛼1) (2.15)

2.3.3. Menentukan Nilai R-L-C

Untuk merencanakan generator impuls, hal pertama yang ditentukan adalah nilai

tegangan output-nya (Vmaks), waktu muka gelombang (Tf), dan waktu ekor

gelombang (Tt), kapasitansi (W) dan efisiensinya (η). Kapasitansi generator impuls

dirumuskan sebagai:

W = 1

2 C V2 =

1

2 C (

𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠

𝜂 )2 (2.16)

Waktu muka gelombang tegangan dinyatakan sebagai

Tf =−1

𝛼1− 𝛼2 ln

𝛼2

𝛼1 (2.17)

Persamaan 2.17 tersebut dapat dituliskan menjadi

Tf =−1

𝛼1(1− 𝛽) ln 𝛽 (2.18)

13

dengan

𝛽 = 𝛼2

𝛼1⁄ (2.19)

Sehingga persamaan 2.6 dan 2.7 menjadi

𝛼1 = 𝛾 − 𝛿 (2.20)

𝛼2 = 𝛾 + 𝛿 (2.21)

Dengan

γ = 𝑅

2𝐿 (2.22)

δ = √(𝑅

2𝐿)2 −

1

𝐿𝐶 = √𝛾2 −

1

𝐿𝐶 (2.23)

Maka persamaan 2.19 menjadi

𝛽 = 𝛼2

𝛼1 =

𝛾 + 𝛿

𝛾 − 𝛿 (2.24)

Berdasarkan persamaan tersebut maka waktu muka gelombang menjadi

Tf =1

2 𝛿 ln

𝛾 + 𝛿

𝛾 − 𝛿 (2.25)

δ = 1

2 𝑇𝑓 ln 𝛽 (2.26)

Berdasarkan persamaan tersebut maka nilai 𝛽 dan δ dapat dihitung. Kemudain nilai

γ dihitung berdasarkan persamaan

γ = 𝛽+1

𝛽 −1 δ (2.27)

Setelah diperoleh nilai tersebut, maka kita dapat menentukan nilai C, L, dan R yang

dinyatakan dalam

C = 2 𝑊 (𝜂

𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 )2 (2.28)

L = 1

𝐶 (𝛾2−𝛿2) (2.29)

R = 2𝛾

𝐶 (𝛾2−𝛿2) (2.30)

14

Persamaan 2.15 dapat ditulis dengan mengganti nilai 𝛼1 dan 𝛼2 dengan persamaan

2.20 dan 2.21

η = 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠

𝑉 =

𝑅𝑜 𝛾

𝑅 𝛿 (휀

1

1− 𝛽 ln 𝛽

- 휀𝛽

1− 𝛽 ln 𝛽

) (2.31)

Perbandingan antara waktu ekor (Tt) dan waktu muka (Tf) dinyatakan dalam k, dan

hubungannya terhadap ln β dinyatakan dengan:

Tabel 2.1. Hubungan k dan ln β

k ln β

3 1,1

4 2,234

5 2,733

10 3,922

20 4,896

30 5,422

40 5,784

41,66 5,834

50 6,059

60 6,281

2.3.4. PSIM

PSIM (Power Simulation) adalah suatu software yang digunakan untuk melakukan

simulasi di bidang elektronika daya (power electronics) dan sistem tenaga listrik.

PSIM memiliki bebarapa modul yang digunakan ke area spesifik simulasi dan

desain sirkuit termasuk: teori kontrol, motor listrik, fotovoltaik, dan turbin angin.

15

PSIM digunakan oleh industri untuk penelitian dan pengembangan produk dan

digunakan oleh lembaga Pendidikan untuk penelitian dan pengajaran.

PSIM memiliki kecepatan simulasi yang jauh lebih cepat dari simulasi yang

berbasis SPICE berdasarkan penggunaan saklar yang ideal. Dengan menggunakan

Modul Digital dan SimCoupler tambahan, hampir semua jenis algoritma dapat

disimulasikan.

BAB 3. METODE PENELITIAN

3.1.Waktu dan Tempat Penelitian

Tugas akhir ini dilaksanakan dari bulan Maret 2019 hingga bulan Oktober 2019

yang bertempat di Laboratorium TTT (Teknik Tegangan Tinggi), Jurusan Teknik

Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Lampung.

3.2.Alat dan Bahan

Pada penelitian ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut:

1. Pembangkitan tegangan tinggi DC (HVDC)

2. Kapasitor tegangan tinggi

3. Induktor

4. Resistor

5. Osiloskop

6. Sela picu elektrik-mekanik

7. Konduktor

8. Software PSIM

17

3.3.Diagram Alir Penelitian

Diagram alir perancangan alat ditunjukan pada Gambar 3.1. Diagram alir dimulai

dengan pencarian literatur dan menentukan desain rangkaian yang akan

diimplementasikan. Setelah menentukan desain rangkaian, langkah selanjutnya

adalah melakukan perhitungan terhadap spesifikasi komponen generator impuls.

Setelah spesifikasi komponen ditentukan, kemudian melakukan simulasi terhadap

rangkaian dan komponen yang akan digunakan. Apabila hasil simulasi tidak sesuai,

maka dilakukan studi literatur kembali sehingga dihasilkan output yang sesuai.

Setelah dilakukan simulasi rangkian, kemudian dilanjutkan dengan perakitan dan

pengujian alat. Pengujian alat yang dilakukan adalah tegangan output

pembangkitan apakah sesuai dengan standar IEC 60060-1 atau tidak. Apabila

gelombang output tidak sesuai dengan standar yang telah ditetapkan maka akan

dilakukan studi literatur kembali untuk mengetahui apa penyebabnya dan

bagaimana solusinya, dan apabila gelombang output sesuai dengan standar yang

telah ditetapkan maka penelitian dapat dilanjutkan. Tahap selanjutnya adalah

melakukan Analisa terhadap hasil yang telah diperoleh dan membuat kesimpulan

berdasarkan hasil analisa tersebut.

18

Mulai

Mengumpulkan

bahan literatur

Studi literatur

Desain rangkaian dan

perhitungan spesifikasi

komponen

Membuat alat

Pengujian alat

Output sesuai

standar?

Kesimpulan

Analisa data

Selesai

True

False

Simulasi

sesuai?

True

False

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian

19

3.4.Metodologi Penelitian

Langkah – langkah kerja yang dilakukan pada perancangan model sistem adalah

sebagai berikut:

1. Studi Literatur

Studi literatur merupakan tahapan awal di mana penulis mempelajari berbagai

sumber referensi baik dari skripsi, buku, jurnal , dan makalah ilmiah yang berkaitan

dengan generator impuls.

2. Perancangan Rangkaian Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls

Perancangan rangkaian bertujuan untuk mempermudah dalam realisasi generator

impuls.

V OSC

Vs

Trafo Uji

Voltage Trafo

Rp Rs

RO

Rh

Rl

L

C

F

Gambar 3. 2 Rangkaian generator impuls R-L-C

3. Simulasi

Sebelum merangkai generator impuls, hal yang harus dilakukan adalah melakukan

simulasi terhadap rangkaian dan spesifikasi komponen yang digunakan. Apabila

hasil simulasi berdasarkan spesifikasi komponen yang digunakan tidak sesuai

dengan standar IEC 60060-1 maka dilakukan kembali peninjauan terhadap

rangkaian dan spesifikasi komponen yang akan digunakan pada generator impuls

20

ini. Simulasi yang dilakukan menggunakan software PSIM. Apabila hasil simulasi

sesuai dengan standar IEC 60060-1 maka dapat dilakukan implementasi alat.

OSC

LRs

RO

C

Gambar 3. 3 Rangkaian simulasi

4. Pembuatan Alat

Generator impuls R-L-C direalisasikan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut :

a. Merancang rangkaian pembangkitan dan menentukan komponen yang

dibutuhkan dengan kapasitas sesuai hasil perhitungan.

b. Merangkai komponen tersebut menjadi generator impuls sesuai dengan

rangkaian yang telah ditetapkan.

c. Mengukur tegangan output.

5. Pengujian Alat

Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui keberhasilan dari alat yang telah dibuat

dengan melakukan pengambilan data hasil output pembangkitan dan

membandingkan hasil tersebut berdasarkan standar IEC 60060-1.

6. Analisis dan Kesimpulan

Analisis dilakukan terhadap data yang telah diperoleh dari hasil pengujian dan

kemudian dilakukan pengambilan kesimpulan dari hasil analisa.

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. KESIMPULAN

Kesimpulan yang diperoleh dari pembangkitan tegangan tinggi menggunakan

rangkaian RLC adalah sebagai berikut:

1. Bentuk gelombang yang dihasilkan pada pembangkitan tegangan tinggi

impuls yang dibuat telah sesuai dengan bentuk gelombang impuls petir.

2. Nilai waktu muka yang diperoleh kurang lebih sebesar 4,9 µs dan nilai dan

waktu ekor yang diperoleh kurang lebih 63,5 µs, nilai tersebut belum

memenuhi standar IEC 60060-1

3. Induktansi lilitan yang terdapat pada resistor kawat mempengaruhi besarnya

nilai waktu muka dan waktu ekor gelombang impuls.

4. Besarnya nilai induktansi induktor yang digunakan mempengaruhi watu

muka (Tf) dan waktu ekor (Tt) yang diperoleh. Semakin besar induktansi

induktor maka waktu muka dan waktu ekornya semakin besar.

45

5.2. SARAN

Adapun saran yang diberikan penulis pada pembuatan pembangkitan tegangan

tinggi impuls untuk waktu yang akan datang adalah:

1. Menggunakan trafo pada catu daya osiloskop untuk mengurangi interverensi

gelombang output pada osiloskop

2. Menggunakan non-inductive resistor pada alat pembangkitan tegangan tinggi

impuls yang hendak dibuat

DAFTAR PUSTAKA

[1] L. Tobing, Bonggas. 2017. Dasar-dasar Teknik Pengujian Teganga Tinggi

Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga

[2] Veishheipl, Karel. 2016. Simulation of the High Voltage Impuls Generator.

Czech Republic: University of West Bohemia

[3] Bimatara, Tofan dkk. 2016. Kinerja Rangkaian R-C dan R-L-C dalam

Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls. Semarang: Universitas Diponegoro

[4] Yusuf, Baharudin dkk. 2011. Aplikasi Pembangkitan Tegangan Tinggi Impuls

untuk Pembuatan Reaktor Ozon. Semarang: Universitas Diponegoro

[5] Prof. Sudarto dkk. 2011. Simulasi Pembangkian dan Pengukuran Tegangan

Tinggi dengan Menggunkan Sela Bola. Semarang: Politeknik Negeri Semarang

[6] Logitra Putra, Irpan dkk. 2013. Perancangan Pembangkitan Tegangan Tinggi

Impuls untuk Mengurangi Jumlah Bakteri pada Cairan Susu Perah. Semarang:

Universitas Diponegoro

[7] Kevrel, E dkk. 2000. High Voltage Engineering Fundamental. Melbourne:

Utterworth-Heinemann

[8] Y. Zhou, Joe dan Steven A. Boggs. 2004. Low Energy Single Stage High

Voltage Impuls Generator. Canada: University of Connecticut

[9] Hlavacek, Jan dan Martin Knenicky. 2018. Very Fast High Voltage Impuls

Generator. Praque: IEEE

[10] Nugroho, Johanes dkk. 2015. Perancangan Pembangkit Tegangan Tinggi

Impuls Berbasis Konverter Flyback. Semarang: Universitas Diponegoro

[11] Arifin, Fajar dkk. 2009. Perancangan Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls

untuk Aplikasi Pengolahan Limbah Cair Industri Minuman Ringan dengan

Teknologi Plasma Lucutan Korona. Semarang: Universitas Diponegoro