TRANSFORMATOR. 1. Pengertian Transformator

Transkripsi

1 TRANSFORMATOR 1. Pengertian Transformator Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain. Selain itu tranformator juga disebut sebagai suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer datern sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya. (Rijono,Yon.2002.Dasar Teknik Tenaga Listrik.Yogyakarta:Andi ) 2. Pengelompokan Transformator Berdasarkan Fasanya Transformator Fasa Tunggal (1 fasa) Dalam dunia elektrik, trafo fasa tunggal atau trafo 1 fasa menuju pada sistem trafo arus bolak balik dengan menggunakan satu sistem di mana tegangan trafo berubah secara serempak. Sistem ini digunakan apabila sebagia besar babannya adalah piranti penerangan dan pemanas. Trafo jenis ini dapat dimasuki tegangan 1 fasa. Trafo fasa tungal biasa trdapat di pemukiman pemukiman penduduk yang masih menggunakan listrik dengan skala kecil. Transformator Tiga Fasa Transformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta (Δ). Di dalam trafo ini terdapat tiga konduktor yang mengalirkan arus AC (yang sama frekuensinya) yang mencapai nilai maksimum pada saat yang tidak bersamaan. Berdasarkan frekuensi kerjanya Transformator Daya : (50-60) Hz

2 Transformator Pendengaran (20Hz-20kHz) Transformator MF (455 khz) Transformator RF (>455 khz) Berdasarkan bidang tenaga listrik Transformator Daya Transformator Distribusi Transformator Pengukuran Berdasarkan konstruksi lilitannya Trafo Step Up Transformator Step-Up atau transformator penaik tegangan adalah tranformator yang digunakan untuk menaikkan tegangan dari rendah ke tegangan yang lebih tinggi. Contoh pengaplikasianya adalah pada trafo trafo di sistem pembangkitan khususnya di saluran transmisi dari gardu induk menuju ke konsumen. Tujuan dari peningkatan tegangan adalah supaya tegangan dari gardu induk bisa terdistribusi dengan baik. Trafo step down

3 Transformator Step-Down atau transformator penurun tegangan adalah transformator yang digunakan untuk menurunkan tegangan dari tinggi ke tegangan yan lebih rendah. Kita banyak menjumpai contoh pengaplikasian trafo ini di kehidupan sehari hari. Adaptor AC-DC merupakan piranti yang menggunakan transformator step-down untuk menurunkan tegangan supaya tegangan yang selanjutnya disalurkan dapat diterima oelh alat atau piranti elektronik kecil seperti pada charger, televisi dan lain lain. Contoh lainnya juga terdapat pada sistem pembangkitan, yaitu pada penurunan tegangan dari generator pembangkit menuju ke gardu induk. Hal ini bertujuan untuk mengurangi risiko bahaya dari saluran udara tegangan ekstra tinggi (sutet) dan kemudian tegangannya dinaikkan lagi sewaktu akan didistribusikan ke konsumen. 3. Bagian-bagian Transformator a. Bagian-bagian utama

4 Inti Besi Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current. Gambar.Inti Besi Kumparan trafo Umumnya pada trafo terdapat kumparan primer dan sekunder. Bila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan/arus bolak-balik maka pada kumparan tersebut timbul fluksi yang menginduksikan tegangan, bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian beban) maka akan mengalir arus pada kumparan ini. Jadi kumparan sebagai alat transformasi tegangan dan arus. Gambar.Kumparan Trafo Minyak trafo

5 Sebagian besar trafo tenaga kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak-trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi Gambar. Minyak Trafo Bushing Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah busing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut denga tangki trafo. Gambar. Bushing Secara garis besar bushing dapat dibagi menjadi empat bagian utama yaitu isolasi, konduktor, klem koneksi, dan asesoris. Isolasi pada bushing

6 terdiri dari dua jenis yaitu oil impregnated paper dan resin impregnated paper. Pada tipe oil impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan minyak isolasi sedangkan pada tipe resin impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan resin. Gambar. Struktur Dalam Bushing Tangki dan Konservator Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator.

7 Gambar. Tangki Konservator b. Bagian-bagian bantu a. Pendingin I. Pendingin Transformator Transformator umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki. Transformator tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin adalah yang berkapasitas di atas 10 MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor untuk mengembus udara. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan. Transformator dalam keadaan bertegangan danbelum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan klas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila

8 panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin yaitu: riben, radiator kipaskipas dan pompa minyak. 1) Pendingin Dengan Riben Transformator dengan kapasitas 10 sampai dengan 30 MVA menggunakan riben atau sirip-sirip sebagai pendingin. Minyak panas yang ditimbulkan oleh panas kumparan akan terjadi pada bagian atas trafo sementara minyak yang dingin berada di bawah bagian trafo. Kondisi ini secara alami akan mengalir dari bawah trafo dan diteruskan melalui riben atau sirip pendingin, yang dirancang sedemikian sehingga minyak panas yang melalui riben akan didinginkan oleh aliran udara luar. 2) Pendingin Menggunakan Kipas Transformator dengan kapasitas lebih dari 30 MVA biasanya dilengkapi dengan riben kipas pendingin, radiator dan pompa minyak. i. Menggunakan Riben dan Kipas Minyak trafo panas yang dialirkan melalui riben seperti yang dijelaskan di atas akan dihembus dengan udara dari kipas pendingin, baik secara vertikal ataupun horizontal sehingga minyak panas sebelum masuk kedalam trafo telah didinginkan dengan udara luar dengan bantuan kipas angin. Gambar. Pendingin Menggunakan Fan

9 ii. Menggunakan adiator dan Kipas Pendingin Minyak panas dari dalam trafo dipompa dengan motor pompa minyak dialirkan melalui radiator-radiator dan pada bagian depan radiator terpasang kipas-kipas pendingin yang akan menarik udara panas yang ditimbulkan oleh minyak panas ke udara luar dan dari sela-sela radiator akan mengalir udara segar yang akan mendinginkan minyak trafo b. Tap Changer (perubah tap) Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan/primer yang berubah-ubah. Tap changer dapat dilakukan baik dalam keadaan berbeban (on-load) atau dalam keadaan tak berbeban (off load), tergantung jenisnya. Gambar. Tap Changer ( OLTC ) c. Alat pernapasan Karena pengaruh naik turunnya beban trafo maupun suhu udara luar, maka suhu minyakpun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya bila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.

10 Kedua proses di atas disebut pernapasan trafo. Permukaan minyak trafo akan selalu bersinggungan dengan udara luar yang menurunkan nilai tegangan tembus minyak trafo, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi tabung berisi kristal zat hygroskopis. d. Indikator Untuk mengawasi selama trafo beroperasi, maka perlu adanya indicator pada trafo sebagai berikut: indikator suhu minyak indikator permukaan minyak indikator sistem pendingin indikator kedudukan tap dan sebagainya. Gambar. Indikator-Indikator c. Bagian-bagian proteksi a. Rele Bucholz Rele Bucholz adalah rele alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo yang menimbulkan gas. Gas yang timbul diakibatkan oleh: a. Hubung singkat antar lilitan pada/dalam phasa b. Hubung singkat antar phasa

11 c. Hubung singkat antar phasa ke tanah d. Busur api listrik antar laminasi e. Busur api listrik karena kontak yang kurang baik. b. Pengaman Tekanan Lebih Alat ini berupa membran yang dibuat dari kaca, plastik, tembaga atau katup berpegas, berfungsi sebagai pengaman tangki trafo terhadap kenaikan tekan gas yang timbul di dalam tangki yang akan pecah pada tekanan tertentu dan kekuatannya lebih rendah dari kakuatan tangi trafo c. Relay tekanan lebih Relay ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo. Bedanya relay ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung mentripkan P.M.T. d. Relay Diferensial Berfungsi mengamankan trafo dari gangguan di dalam trafo antara lain flash over antara kumparan dengan kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun beda kumparan e. Relay Arus lebih Befungsi mengamankan trafo arus yang melebihi dari arus yang diperkenankan lewat dari trafo terseut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat. f. Relay Tangki tanah Berfungsi untuk mengamankan trafo bila ada hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada trafo. g. Relay Hubung tanah Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah. h. Relay Termis Berfungsi untuk mencegah/mengamankan trafo dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan oleh arus lebih. Besaran yang diukur di dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.

12 4. PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi (reluctance) 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 (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). Berikut adalah skema prinsip kerja dari transformator: Pada skema transformator di atas, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

13 Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan: Vp = tegangan primer (volt) Vs = tegangan sekunder (volt) Np = jumlah lilitan primer Ns = jumlah lilitan sekunder Simbol Transformator 5. RANGKAIAN TRANSFORMATOR 1) Rangkaian Magnetisasi Transformator Pada keadaan tanpa beban, mengalir arus kecil I0 untuk mensuplai magnetomotive force yang menimbulkan flux magnet disekitar inti magnetik, arus ini tertinggal (lagging) terhadap tegangan primer sebesar 900. Arus ini dibatasi oleh resistansi

14 efektif (Rc) dan reaktansi (Xc) yang disebut rangkaian magnetisasi. Besar arus ini sekitar 2-5 % dari arus beban penuh (full load) dengan power factor Ketika transformator dibebani, terjadi tegangan jatuh karena resistansi belitan primer dan sekunder. Tegangan jatuh ini sefasa dengan tegangan pada belitan dan tegangan jatuh karena reaktansi (X1dan X2) tertinggal sebesar 900. Penurunan tegangan output ketika transformator berbeban dikenal sebagai regulasi. Tegangan jatuh karena komponen resistif lebih kecil daripada tegangan jatuh yang disebabkan oleh komponen reaktif. Sehingga impedansi dominan dari tranformator adalah reaktansi. ( ) 2) Rangkaian Ekivalen Trafo Transformator merupakan suatu peralatan listrik yang digunakan untuk mengubah energi listrik bolak-balik dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain. Dapat menaikkan, menurunkan atau hanya untuk mengisolasi sistem satu dengan yang lainnya. Transformator terdiri atas sisi primer dan sisi sekunder. Keduanya terhubung dengan inti besi. Dalam kondisi ideal, tanpa rugi-rugi, perbandingan lilitan antara keduanya merupakan perbandingan tegangan antara kedua sisinya. Namun pada kenyataannya, daya masukkan tidak pernah sama dengan daya keluaran. Terdapat rugi-rugi yang terjadi di inti besi dan lilitan. Rugi-rugi tersebut terjadi akibat histerisis, arus eddy, resistansi belitan dan fluks bocor. Dari pengetahuan tersebut,

15 transformator dapat dimodelkan dengan rangkaian elektrik seperti di bawah ini: Dapat disederhanakan menjadi, Dimana, Req = Rp + (Np/Ns)^2. Rs Xeq = Xp + (Np/Ns)^2. Xs Setelah kita memahami, rangkaian pengganti ini, kita dapat menentukan nilai Req, Xeq, Rc dan Xm dengan pengujian rangkaian tanpa beban dan hubung singkat. Yang diukur adalah daya (Watt), tegangan (V) dan arus (I) di sisi primer. ( ) 6. APLIKASI TRANSFORMATOR Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan sebagainya. Dan dalam pengaplikasiannya, transformator digolongkan menjadi 2 yaitu:

16 1) Transformator step up Transformator step up biasanya digunakan dalm transmisi daya listrik jarak jauh seperti dari pembangkit yang lokasinya jauh dari pemukiman warga ke konsumen. Transformator step up digunakan untuk menaikkan tegangan yang keluar dari generator untuk bisa sampai ke konsumen dengan jarak yang jauh. Berikut gambar penggunaan trafo step up pada distribusi daya listrik: 2) Transformator step down Transformator step down biassanya banyak digunakan dalam peralatan listrik rumah tangga yang membutuhkan tegangan kecil. Dari tegangan PLN sebesar 220 V, transformator step down dapat menurunkan tegangan menjadi lebih rendah sesuai dengan kebutuhan. Contoh dari peralatan listrik yang memakai transformator step down adalah adaptor dan catu daya, peralatan lainnya dapat berupa peralatan elektronik seperti televisi, mesin fotocopy, dan gardu listrik. Berikut ini addalah contoh gambar peralatan yang menggunakan transformator step down: 7. Kerugian Dalam Transformator

17 Perhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu: 1. Kerugian tembaga. Kerugian dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya. 2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primersekunder tidak sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara berlapis-lapis antara primer dan sekunder. 3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding) 4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah. Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material inti reluktansi rendah. 5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa. 6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapislapisan.

18 8. Efisiensi Efisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus Karena adanya kerugian pada transformator. Maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%.

19 Daftar Pustaka Rijono,Yon.2002.Dasar Teknik Tenaga Listrik.Yogyakarta:Andi