BAB II TRANSFORMATOR

Transkripsi

1 BAB II TRANSFORMATOR II.1 UMUM Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya. 1 Transformator merupakan suatu komponen yang sangat penting peranannya dalam system ketenagalistrikan arus bolak-balik. Penemuan transformator merupakan suatu langkah maju dan besar bagi peningkatan efisiensi ketenagalistrikan. Hal ini dapat kita setujui dengan melihat contoh permasalahan listrik berikut. Misalkan jika daya listrik yang diperlukan suatu kota adalah kva, yang jaraknya sekitar 10 km dari pembangkit tenaga listrik. Dengan memperhitungkan : S = V.I. Dimana I berbanding terbalik terhadap V, Bila jaringan transmisi tersebut diberi tegangan rendah (misalkan 110 Volt), maka Arus yang mengalir adalah sebesar : 3 I S = = = 181, ka V Mochtar Wijaya, Dasar-Dasar Mesin Listrik (Jakarta: Djambatan, 2001), hh

2 Arus yang besar akan menimbulkan rugi-rugi yang besar, yaitu P = I 2 R. Dimana arus yang besar akan membutuhkan penampang kawat penghantar yang besar yang tentunya tidak ekonomis karena memerlukan biaya yang sangat tinggi untuk menyanggupi kebutuhan tersebut. Jadi, kerugian ini dapat diminimalisai dengan menggunakan transformator, dimana tegangan pembangkitan dinaikkan semaksimal mungkin, maka arus yang mengalir akan kecil, yang menyebabkan rugi-rugi daya yang kecil dan penampang kawat yang digunakan juga kecil, sehingga otomatis biaya yang diperlukan jauh lebih ekonomis dan tegangan dapat diturunkan kembali di ujung saluran ketegangan rendah dalam pendistribusian kekonsumen. Transformator yang dipakai pada jaringan listrik merupakan transformator tenaga. Disamping itu ada jenis-jenis transformator yang lain dan yang banyak digunakan pada umumnya merupakan transformator yang lebih kecil. II.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus bahasan disini adalah transformator daya. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal ada dua maam transformator, yaitu tipe Inti (Core type) dan tipe cangkang (Shell type).

3 II.2.1 Tipe inti (Core Type) Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan mengelilingi inti besi,seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Konstruksi transformator tipe inti (Core Type) Bekerjanya Transformator menghendaki adanya fluks gandengan atau fluks bersama bolak-balik yang menghubungkan kedua kumparan yang menggunakan konsep induktansi bersama. Hal ini akan diperoleh pula bila digunakan inti udara tetapi akan jauh lebih efektif bila digunakan inti besi atau bahan ferromagnetic lainnya karena sebagian besar fluks akan terkurung dalam jalan tertentu yang menghubungkan kedua kumparan dan mempunyai permeabilitas yang jauh lebih besar dari udara.

4 Konstruksi intinya umumnya bebrbentuk huruf L atau huruf U seperti gambar 2.2 berikut. Lempengan bentuk L Lempengan bentuk U Gambar. 2.2 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk L dan U II.2.2 Tipe cangkang ( Shell Type ) Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan di pusat inti. Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti. Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar didalam inti, rangkaian magnetik biasanya terdiri dari setiap laminasi tipis. Dalam jenis Cangkang kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dan inti berkaki tiga. Kebanyakan fluks berkurang dalam inti dan karena itu dirangkum oleh kedua kumparan.

5 Gambar 2.3. Transformator tipe cangkang (shell form) Konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti Gambar. 2.4 berikut. Gambar Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk E, I dan F

6 II.3 PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah dan menyalurkan energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Transformator di gunakan secara luas baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak jauh. Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektrik namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi rendah. Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi sendiri (self induction) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi).

7 dφ e = N.....(2-1) dt Dimana : e = gaya gerak listrik (ggl) [volt] N = jumlah lilitan dφ dt = perubahan fluks magnet Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik antara rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit). II.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V 1 yang sinusoidal dan kumparan sekundernya merupakan rangkaian yang tidak dibebani (no load), maka akan mengalir arus primer I 0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap kumparan N 1 reaktif murni. I 0 akan tertinggal 90 0 dari V 1 (induktif).

8 i 0 Φ Φ V 1 E 1 N 1 N 2 E 2 i 0 V 1 E 1 (a) (b) Gambar 2.5. Transformator dalam keadaan tanpa beban Arus primer I 0 menimbulkan fluks (Ф) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal dalam rangkaian magnetic....(2-2) Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan sesaat dalam kumparan primer yang sama dengan (berdasarkan hokum Faraday) :...(2-3) Dimana : λ 1 = gandengan fluks dalam kumparan primer. = fluks (disini dianggap semua terkurung didalam inti). N 1 = jumlah lilitan dalam kumparan primer. Dengan mensubtitusikan persamaan (2-2) dan (2-3) :...(2-4) (tertinggal 90 o dari )

9 Pada kondisi maksimum, e 1maks.=N 1. ω. maks, dimana ω=2πf, sehingga harga efektifnya :...(2-5) Bila rugi tahanan dan adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat hubungan : Dimana : E 1 = GGL induksi di sisi primer (volt) E 2 = GGL Induksi si sisi sekunder (Volt) V 1 = Tegangan terminal di sisi primer (volt) V 2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (volt) N 1 = Jumlah belitan di sisi primer N 2 = Jumlah belitan di sisi sekunder a = Perbandingan transformasi II.3.2 Keadaan Transformator Berbeban Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban Z L, akan mengalir arus I 2 pada kumparan sekunder, dimana :. Arus beban I 2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N 2. I 2 yang cenderung menentang fluks (Ф) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I 2`, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I 2, hingga keseluruhan arus yang mengalir

10 Φ i 0 i 2 V 1 E 1 N 1 N 2 E 2 Z 1 V 2 Gambar 2.6. Transformator dalam keadaan berbeban pada kumparan primer menjadi : I 1 = I 0 + I 2` (ampere) (2.6) Bila komponen arus rugi inti (Ic) diabaikan, maka I 0 = Im, sehingga: I 1 = I m + I 2` (ampere) (2.7) Dimana : I 1 = arus pada sisi primer I 0 = arus penguat I m = arus pemagnetan I c = arus rugi-rugi inti II.4 RANGKAIAN EKIVALEN TRANSFORMATOR Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im tidak seluruhnya merupakan Fluks Bersama (Ф M ), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (Ф 1 ) atau mencakup kumparan sekunder (Ф 2 ) saja dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф 1 dengan

11 mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X 1 dan fluks bocor Ф 2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X 2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R 1 dan R 2, dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti gambar berikut ini : R 1 X 1 R 2 X 2 i 1 i 2 i 0 V 1 R C I C I M V 1 E 2 X M Z L V 2 N 1 N 2 Gambar 2.7. Rangkaian ekivalen transformator V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + E 1 E 1 = ae 2 E 2 = I 2 R 2 + I 2 X 2 + V 2 I 2 = ai`2 V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + a(i 2 R 2 + I 2 X 2 + V 2 ) V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + a I 2 R 2 + a I 2 X 2 + av 2 V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + a(ai`2r 2 ) + a(ai`2x 2 ) + av 2 V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + a 2 I`2R 2 + a 2 I`2X 2 + av 2 V 1 = I 1 R 1 + I 1 X 1 + I`2 (a 2 R 2 + a 2 X 2 ) + av 2....(2.8)

12 Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a 2, dimana a = E 1 /E 2. Sekarang model rangkaian menjadi sebagai terlihat pada gambar berikut R 1 X 1 a 2 R 2 a 2 X 2 i 1 i`2 i 0 V 1 R C I X M a 2 M Z L I C av 2 Gambar 2.8. Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti gambar dibawah ini : i 1 R 1 X 1 a 2 R 2 a 2 X 2 i`2 i 0 V 1 R C I C I M X M a 2 Z L av 2 Gambar 2.9. parameter sekunder pada rangkaian primer Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut : R ek = R 1 + a 2 R 2 (ohm).. (2.9) X ek = X 1 + a 2 X 2 (ohm)..... (2.10)

13 Sehingga rangkaian di atas dapat diubah seperti gambar di bawah ini : i 1 i 2` Rek X ek i 0 V 1 R C I C I M X M a 2 Z L av 2 Gambar hasil akhir penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) R c, X m, R ek dan X ek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat. II.5 2 RUGI RUGI DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR Rugi Tembaga Rugi Tembaga SUMBER KUMPARAN PRIMER FLUKS BERSAMA KUMPARAN SEKUNDER Output Fluks bocor Rugi besi Histeresis,Eddy current Gambar Rugi-rugi pada transformator. 2 Zuhal, Dasar Tenaga Listrik (Bandung: ITB, 1991), hh

14 II.5.1 Rugi tembaga (Pcu) berikut : Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai Pcu = I 2 R......(2.11) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. II.5.2 Rugi besi (Pi) Rugi besi terdiri atas : Rugi histerisis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Ph = kh f Bmaks 1.6 watt... (2.12) Dimana : Kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum (weber)

15 Rugi arus eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : Pe = ke f 2 B 2 maks... (2.13) Jadi, rugi besi (rugi inti) adalah : Pi = Ph + Pe (2.14) II.5.3 Efisiensi Efisiensi dinyatakan sebagai : Pout Pout η = =. (2.15) Pin Pout + rugi dimana rugi = Pcu + Pi II Perubahaan efisiensi terhadap beban perubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai : η = V2 c oφ s P1 V2 c oφ + si 2R 2e k+ I 2.. (2.16) Melalui penurunan persamaan di atas bisa di cari nilai efisiensi maksimum untuk beban tertentu yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti

16 II.6 TRANSFORMATOR TIGA PHASA II.6.1 Umum Pada prinsipnya transformator tiga phasa sama dengan transformator satu phasa, perbedaannya adalah seperti perbedaan sistem listrik satu phasa dengan listrik tiga phasa, yaitu mengenal sistem bintang (Y) dan delta (Δ), serta sistem zig-zag (Z), dan juga sistem bilangan jam yang sangat menentukan untuk kerja paralel transformator tiga phasa. Untuk menganalisa transformator daya tiga phasa dilakukan dengan memandang atau menganggap transformator tiga phasa sebagai transformator satu phasa, teknik perhitungannya pun sama, hanya untuk nilai akhir biasanya parameter tertentu (arus, tegangan dan daya) transformator tiga phasa dikaitkan dengan nilai. Transformator tiga phasa ini berkembang dengan alasan ekonomis, biaya lebih murah, karena bahan yang digunakan lebih sedikit dibandingkan tiga buah transformator satu phasa dengan jumlah daya yang sama dengan satu buah transformator tiga phasa, lebih ringan dan lebih kecil sehingga mempermudah pengangkutan (menekan biaya pengiriman), pengerjaannya lebih cepat, serta untuk menangani operasinya hanya satu buah transformator yang perlu mendapat perhatian (meringankan pekerjaan perawatan).

17 II.6.2 Konstruksi Transformator Tiga Phasa Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar didalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan di perlihatkan pada gambar 2.11 berikut ini. Np 1 Np 2 Np 3 Ns 1 Ns 2 Ns 3 Gambar 2.12 Transformator tiga phasa Dalam jenis transformator tipe cangkang (Shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti. Kebanyakan fluks terkurung dalam inti dank arena itu di rangkum oleh kedua kumparan. Meskipun fluks bocor yang di rangkum salah satu kumparan tanpa diragkum yang lain merupakan bagian kecil dari fluks total, ia mempunyai pengaruh penting pada perilaku transformator. Kebocoran dapat dikurangi dengan membagi bagi kumparan dalam bagian bagian yang di letakkan sedekat mungkin satu sama lainnya.

18 Np1 Np2 Np3 Ns1 Ns2 Ns3 Gambar 2.13 Transformator 3 Phasa Tipe cangkang II.6.3 K onstru ksi Umu m Trafo Dist ribusi 3 ph asa Gambar Ko nst ruksi Umu m Trafo d ist ribu si 3 p hasa Transformator distribusi tiga fasa terdiri dari bagian-bagian : 1. Busing Primer. 2. Indikator tinggi permukaan minyak.

19 3. Penapas pengering. 4. Lobang untuk pembukaan. 5. Lobang untuk penarikan. 6. Kran untuk pemasukan/pengeluaran minyak. 7. Pelat nama. 8. Thermometer. 9. Tap trafo (alat untuk merubah tegangan). Gambar Konstruksi lengkap Trafo Distribusi.

20 Tiap Transformator harus dilengkapi dengan name plate pengenal, terbuat dari bahan tahan cuaca, dipasang pada posisi yang mudah dilihat berisikan rincian seperti yang ditunjukan dibawah ini. Keseluruhan pelat harus bertanda yang tak mudah terhapus (misalnya dengan memahat, mencetak-cetak). Informasi yang diperlukan : a. Jenis transformator (misalnya: transformator, oto-transformator, transformator penguat dan sebagainya). b. Nomor spesifikasi. c. Nama pabrik. d. Nomor seri pembuatan e. Tahun pembuatan f. Jumlah fasa g. Daya pengenal (untuk transformator belitan banyak, ganda, daya pengenal tiap belitan harus diberikan, kombinasi pembebanan harus ditunjukan pula, jika tidak pengenal salah satu belitan merupakan jumlah daya pengenal belitan lainnya). h. Frekuensi pengenal i. Tegangan pengenal j. Arus pengenal k. Lambang hubungan 1. Tegangan impendansi pada arus pengenal (nilai terukur dan bila perlu, daya acuan). m. Jenis pendingin. (bila transformator mempunyai mempunyai cara

21 pendingin keluaran yang brrbeda dari pengenalnya dapat ditunjukan oleh presentasi daya pengenal, misalnya ONAN/ONAP 100 % ) n. Massa keseluruhan. o. Masa minyak isolasi. Apabila nilai pengenal transformator lebih dari satu, tergantung dari hubungan yang berbeda-beda, dengan desain mengikuti kekhususanya, nilai-nilai pengenal perlu ditambahkan adalah plat pengenal. II Hubungan Transformator Tiga Phasa Dalam pelaksanaannya, tiga buah lilitan fasa dalam sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam macam hubungan, seperti hubungan bintang, hubungan segitiga (delta) dan hubungan kombinasi Y-Y, Y-Δ, Δ-Y dan Δ- Δ, bahkan untuk kasus tertentu lilitan sekunder dapat dihubungkan secara berliku liku (zig- zag), sehingga didapatkan kombinasi Δ-Z dan Z- Y. Hubungan zig zag merupakan sambungan bintang istimewa, hubungan ini untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara bintang dengan beban setiap phasanya tidak seimbang. A. Hubungan Wye - Wye (Y Y) Jika tegangan tiga phasa dipasok ke transformator Y Y, maka tegangan tiap - tiap phasanya akan saling berbeda 120 o. Hubungan pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada gambar berikut : 3 Mochtar Wijaya, Dasar-Dasar Mesin Listrik (Jakarta: Djambatan, 2001), hh

22 R r Np 1 Ns 1 S s V LP VΦp Np 2 Ns 2 VΦs V LS T t Np 3 Ns 3 Gambar 2.16 Transformator Hubungan Y Y Tegangan primer pada masing masing phasa adalah :..(2.17) Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah : = = a..(2.18) B. Hubungan Wye Delta (Y Δ) Beda phasa antara sisi primer dan sekunder sebesar 30 o atau kelipatannya, yang jika hendak dihubungkan secara parallel, sisi sekunder transformator yang akan diparalelkan harus memiliki beda phasa yang sama. Digunakan sebagai penaik

23 tegangan untuk sistem tegangan tinggi. Hubungan Wye Delta dapat dilihat pada gambar berikut : R r V LP VΦp Np 1 Ns 1 VΦs V LS S s Np 2 Ns 2 T t Np 3 Ns 3 Gambr 2.17 Hubungan Transformator Y Δ Tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer. V LP = V ΦP....(2.19) Tegangan kawat kawat sekunder sebanding dengan tegangan phasa. V LS = V ΦS.(2.20) Maka perbandingan tegangan pada hubungan ini : = = a (2.21) C. Hubungan Delta Wye (Δ Y) Umumnya digunakan untuk menurunkan tegangan dari tegangan transmisi ke tegangan rendah.

24 Hubungan Δ Y pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada berikut:. R r V LP VΦp Np 1 Ns 1 VΦs V LS S s Np 2 Ns 2 T t Np 3 Ns 3 Gambar 2.18 Hubungan Transformator Δ Y Tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer. V LP = V ΦP.....(2.22) Tegangan kawat kawat sekunder sebanding dengan tegangan phasa. V LS = V ΦS.. (2.23) Maka perbandingan tegangan pada hubungan ini : = =... (2.24)

25 D. Hubungan Delta Delta (Δ Δ) Gambar hubungan ini dapat dilihat pada gambar berikut ini : R r V LP S VΦp Np 1 Ns 1 VΦs s V LS Np 2 Ns 2 T t Np 3 Ns 3 Gambar 2.19 Hubungan Transformator Δ Δ Pada hubungan ini diperoleh : V RS = V ST = V RT = V LN Maka : V L L = V L N...(2.25) V RS = V ST = V RT...(2.26) Dimana : V L L = Tegangan Line to Line V L N = Tegangan Line to Netral Arus pada transformator tiga phasa hubungan delta : I L = I P....(2.27) Dimana : I L = Arus Line I P = Arus Phasa