BAB II TRANSFORMATOR

BAB II TRANSFORMATOR II.1 UMUM Transformator merupakan suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari suatu 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 dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya. Dalam bidang teknik listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi: 1. Transformator daya 2. Transformator distribusi 3. Transformator pengukuran; yang terdiri dari transformator arus dan transformator tegangan. II.2 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) e = (-) N (Volt)... ( 2.1 ) Dimana : e = gaya gerak listrik (Volt) N = jumlah lilitan (turn) = perubahan fluks magnet (weber/sec) 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.2.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V 1 yang sinusoidal, akan mengalirkan arus primer I 0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N 1 reaktif murni. I 0 akan tertinggal 90 0 dari V 1. Arus primer I 0 menimbulkan fluks (Ф) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal. I 0 Фm I2 AC V1 N 1 N 2 V2

Gambar 2.1 Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban I 1 I 0 V 1 Ic Rc Im Xm V2 Gambar 2.2 Rangkaian Ekivalen Transformator Dalam Keadaan Tanpa Φ I0 Beban V1 E1 Gambar 2.3 Gambar Vektor Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban V1 I o, Φo 0 90 o π 2π ωt Gambar 2.4 Gambar Gelombang Io Tertinggal 90 o Dari V 1

Ф = Ф max sin ωt (weber)... ( 2.2 ) Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi е 1 (Hukum Faraday): e 1 = -N 1... ( 2.3 ) e 1 = -N 1... ( 2.4 ) e 1 = - N 1 ω cos ωt (Volt)... ( 2.5 ) e 1 = N 1 ω Ф max sin (ωt 90) (tertinggal 90 o dari Ф)... ( 2.6 ) Dimana : e 1 = gaya gerak listrik (Volt) N 1 = jumlah belitan di sisi primer (turn) ω = kecepatan sudut putar (rad/sec) Φ = fluks magnetik (weber) Φ e e 1, 2 0 90 o π i Φ 2π ωt

Gambar 2.5 Gambar Gelombang e 1 Tertinggal 90 o Dari Φ Harga efektif : E 1 =... ( 2.7 ) E 1 =... ( 2.8 ) E 1 =... ( 2.9 ) E 1 =... (2.10) E 1 = 4,44 N 1 f (Volt)... (2.11) Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi juga menimbulkan : e 2 = - N 2...(2.12) e 2 = N 2 ω Ф max cos ωt (Volt) Harga efektifnya : E 2 = 4,44 N 2 f Ф max (Volt)...(2.13) Sehingga perbandingan antara rangkaian primer dan sekunder adalah : = = a... (2.14) Dimana : E 1 = ggl induksi di sisi primer (Volt) E 2 = ggl induksi di sisi sekunder (Volt) N 1 = jumlah belitan sisi primer (turn) N 2 = jumlah belitan sisi sekunder (turn)

a = faktor transformasi II.2.2 Keadaan Transformator Berbeban Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L, I 2 mengalir pada kumparan sekunder, dimana I 2 =. I 1 Ф m Ф 2 Ф2 I 2 AC V1 N 1 N 2 V 2 ZL Gambar 2.6 Transformator Dalam Keadaan Berbeban R 1 X 1 R 2 X 2 I 1 I 0 I' 2 I 2 I C I M Z L V 1 R C X M V 2 Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Transformator Dalam Keadaan Berbeban 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 pada kumparan primer menjadi:

I 1 = I 0 + I 2 (Ampere)...( 2.15 ) Bila komponen arus rugi inti (I c ) diabaikan, maka I 0 = I m, sehingga : I 1 = I m + I 2 (Ampere)... ( 2.16 ) Dimana: I 1 = arus pada sisi primer (Ampere) I' 2 = arus yg menghasilkan Φ' 2 (Ampere) I 0 = arus penguat (Ampere) I m = arus pemagnetan (Ampere) I c = arus rugi-rugi inti (Ampere) Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I M, maka berlaku hubungan : N 1 I M = N 1 I 1 N 2 I 2...( 2.17 ) N 1 I M = N 1 (I M + I 2 ) N 2 I 2...( 2.18 ) N 1 I 2 = N 2 I 2...( 2.19 ) Karena I M dianggap kecil, maka I 2 = I 1. Sehingga : N 1 I 1 = N 2 I 2... ( 2.20 ) =... ( 2.21 )

II.3 RUGI-RUGI PADA TRANSFORMATOR Rugi Tembaga Rugi Tembaga Sumber Kumparan primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder Out Put Rugi Besi Histeresis Dan Eddy Current Gambar 2.8 Blok Diagram Rugi Rugi Pada Transformator II.3.1 Rugi Tembaga ( Pcu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga yang terjadi pada kumparan sekunder dapat ditulis sebagai berikut : Pcu = I 2 R (Watt)...( 2.22 ) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini merupakan resistansi AC. II.3.2 Rugi Besi ( Pi ) Rugi besi terdiri atas : a) Rugi histerisis (Ph), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :

Ph = kh f Bmaks 1.6 (watt)... ( 2.23 ) Kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum (weber) b) Rugi arus eddy (Pe), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : Pe = ke f 2 B 2 maks (Watt)...( 2.24 ) Kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah : Pi = Ph + Pe (Watt)... ( 2.25 ) II.4 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR II.4.1 Konstruksi Transformator Tiga Phasa Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. Untuk konstruksi tipe inti dapat dilihat pada Gambar 2.9. R S T PRIMER SEKUNDER r s t Gambar 2.9 Konstruksi Transformator Tiga Fasa Tipe Inti

Salah satu jenis konstruksi yang biasa dipergunakan yaitu tipe cangkang diperlihatkan pada Gambar 2.10 : R PRIMER r S SEKUNDER s T t Gambar 2.10 Transformator Tiga Fasa Tipe Cangkang Dalam jenis inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi. Dalam jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi dibawah beberapa ratus Hz. Silikon-steel memiliki sifat-sifat yang dikehendaki yaitu murah, rugi inti rendah dan permeabilitas tinggi pada rapat fluks tinggi. Inti transformator yang dipergunakan dalam rangkaian komunikasi pada frekuensi tinggi dan tingkat energi rendah, kadang-kadang dibuat dari campuran tepung ferromagnetik yang dimanfaatkan sebagai permalloy.

II.4.2 Hubungan Transformator Tiga Phasa Secara umum ada 3 macam jenis hubungan pada transformator tiga phasa yaitu : 1. Hubungan Bintang (Y) Hubungan bintang ialah hubungan transformator tiga fasa, dimana ujung-ujung awal atau akhir lilitan disatukan. Titik dimana tempat penyatuan dari ujung-ujung lilitan merupakan titik netral. Arus transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan bintang yaitu; I A, I B, I C masingmasing berbeda 120. A I A I B B N ZB Z A C I C I N Z C Gambar 2.11 Transformator tiga phasa hubungan bintang. Dari gambar 2.11 diperoleh bahwa : IA = IB = IC = IL...(2.26) IL = Iph...(2.27) VAB = VBC = VCA = VL-L...(2.28) VL-L = Vph...(2.29) Dimana : VL-L Vph = tegangan line to line (Volt) = tegangan phasa (Volt)

IL = arus line (Ampere) Iph = arus phasa (Ampere) 2. Hubungan Segitiga/ Delta (Δ) Hubungan segitiga adalah suatu hubungan transformator tiga fasa, dimana cara penyambungannya ialah ujung akhir lilitan fasa pertama disambung dengan ujung mula lilitan fasa kedua, akhir fasa kedua dengan ujung mula fasa ketiga dan akhir fasa ketiga dengan ujung mula fasa pertama. Tegangan transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan segitiga yaitu; V A, V B, V C masing-masing berbeda 120. I A I CA I AB I C I B I BC Gambar 2.12 Transformator tiga phasa hubungan segitiga/delta. Dari gambar 2.17 diperoleh bahwa : IA = IB = IC = IL...(2.30) IL = Iph...(2.31) VAB = VBC = VCA = VL-L...(2.32) VL-L = Vph...(2.33) Dimana : VL-L Vph IL Iph = tegangan line to line (Volt) = tegangan phasa (Volt) = arus line (Ampere) = arus phasa (Ampere)

3. Hubungan Zigzag Transformator zig zag merupakan transformator dengan tujuan khusus. Salah satu aplikasinya adalah menyediakan titik netral untuk sistem listrik yang tidak memiliki titik netral. Pada transformator zig zag masing masing lilitan tiga fasa dibagi menjadi dua bagian dan masing masing dihubungkan pada kaki yang berlainan. Gambar 2.13 Transformator tiga phasa hubungan zig-zag. Perbandingan Rugi-rugi untuk tiap kumparan yang terhubung Y, Δ, Zig-zag adalah:...(2.33)...(2.34) Dimana :...(2.35) i Y ρ = arus pada kumparan yang terhubung Y = hambatan jenis tembaga

L Y = panjang kumparan yang terhubung Y A Y A Δ A ZZ = Luas penampang kumparan yang terhubung Y = Luas penampang kumparan yang terhubung Δ = Luas penampang kumparan yang terhubung Zig-zag II.4.3 Jenis-Jenis Hubungan Transformator Tiga Phasa Dalam pelaksanaanya, tiga buah lilitan phasa pada sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti bintang dan segitiga, dengan kombinasi Y-Y, Y-Δ, Δ-Y, Δ-Δ, bahkan untuk kasus tertentu liltan sekunder dapat dihubungakan secara berliku-liku (zig-zag), sehingga diperoleh kombinasi Δ-Z, dan Y-Z. Hubungan zig-zag merupakan sambungan bintang istimewa, hubungan ini digunakan untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara bintang dengan beban phasanya tidak seimbang. Di bawah ini pembahasan hubungan transformator tiga phasa secara umum : 1. Hubungan Wye-wye (Y-Y) Pada hubungan bintang-bintang, rasio tegangan fasa-fasa (L-L) pada primer dan sekunder adalah sama dengan rasio setiap trafo. Sehingga, tejadi pergeseran fasa sebesar 30 antara tegangan fasa-netral (L-N) dan tegangan fasa-fasa (L-L) pada sisi primer dan sekundernya. Hubungan bintang-bintang ini akan sangat baik hanya jika pada kondisi beban seimbang. Karena, pada kondisi beban seimbang menyebabkan arus netral (I N ) akan sama dengan nol. Dan apabila terjadi kondisi tidak seimbang maka akan ada arus netral yang kemudian dapat menyebabkan timbulnya rugi-rugi.

Hubungan Y-Y pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.14. Pada hubungan Y-Y, tegangan masing-masing primer phasa adalah :...(2.36) Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator maka, perbandingan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder pada transformator hubungan Y-Y adalah :...(2.37) R r N1R N2r R S V1ph N1S N1R N2s V2ph N2r s r S s N1S N2s V1L V2ph V2L V1ph V1L V2L T N1T N2t t T t N1T N2t Gambar 2.14 Transformator 3 phasa hubungan Y-Y. 2. Hubungan Wye-delta (Y-Δ) Transformator hubungan Y-Δ, digunakan pada saluran transmisi sebagai penaik tegangan. Rasio antara sekunder dan primer tegangan fasa-fasa adalah 1/ 3 kali rasio setiap trafo. Terjadi

sudut 30 antara tegangan fasa-fasa antara primer dan sekunder yang berarti bahwa trafo Y-Δ tidak bisa diparalelkan dengan trafo Y-Y atau trafo Δ-Δ. Hubungan transformator Y-Δ dapat dilihat pada Gambar 2.15. Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer ( ), dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan phasa ( ), sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan Y-Δ adalah :...(2.38) R r V1L N1R N2r V1ph V2ph V2L R S V1L N1S N1R V1ph N2t N2s N2r t s S N1S N2s s T N1T V2ph V2L r T t N1T N2t Gambar 2.15 Transformator 3 phasa hubungan Y-Δ. 3. Hubungan Delta-wye (Δ-Y) Transformator hubungan Δ-Y, digunakan untuk menurunkan tegangan dari tegangan transmisi ke tegangan rendah. Transformator hubungan Δ-Y dapat dilihat pada Gambar 2.16. Pada hubungan Δ-Y, tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa primer ( ), dan tegangan sisi sekundernya ( ), maka perbandingan tegangan pada hubungan Δ-Y adalah :

...(2.39) R r V1L V1ph N1R N2r V2ph V2L R s V2L r S s V1L V1ph N2s N1S N2s S N1R N1S N1T V2ph N2r T N2t t T t N1T N2t Gambar 2.16 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Y. 4. Hubungan Delta - delta (Δ-Δ) Pada transformator hubungan Δ-Δ, tegangan kawat ke kawat dan tegangan phasa sama untuk sisi primer dan sekunder transformator (V RS = V ST = V TR = V LN ), maka perbandingan tegangannya adalah :...(2.40) Sedangkan arus pada transformator hubungan Δ-Δ adalah :...(2.41) Dimana : I L I P = arus line to line = arus phasa

R r V1L V1ph N1R N2r V2ph V2L R r S s V1L S V1ph N1R N1S N1T N2t N2r V2ph V2L s N1S N2s T N2s t T t N1T N2t Gambar 2.17 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Δ. II.5 TRANSFORMATOR DISTRIBUSI Transformator distribusi merupakan alat yang memegang peran penting dalam sistem distribusi.transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah..transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20KV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V. Pada kumparan primer akan mengalir arus jika kumparan primer dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik, sehingga pada inti tansformator yang terbuat dari bahan ferromagnet akan terbentuk sejumlah garis-garis gaya magnet (fluks = Ф).Karena arus yang mengalir merupakan arus bolak-balik, maka fluks yang terbentuk pada inti akan mempunyai arah dan jumlah yang berubah-ubah. Jika arus yang mengalir berbentuk sinusoidal, maka

fluks yang terjadi akan berbentuk sinusoidal pula. Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang mana pada inti tersebut terdapat belitan primer dan sekunder, maka pada belitan primer dan sekunder tersebut akan timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi, tetapi arah ggl induksi primer berlawanan dengan arah ggl induksi sekunder. Sedangkan frekuensi masing-masing tegangan sama dengan frekuensi sumbernya. FUSE CUT OUT CROSS ARM JTR LIGHTNING ARRESTER CROSS ARM TRAFO DISTRIBUSI MERK KABEL OUTGOING KABEL INCOMING L.V.C Gambar 2.18 trafo distribusi.

II.6 PERHITUNGAN ARUS BEBAN PENUH,ARUS HUBUNG SINGKAT DAN LOSSES AKIBAT ADANYA ARUS NETRAL PADA PENGHANTAR NETRAL TRANSFORMATOR DISTRIBUSI II.6.1.Perhitungan Arus Beban Penuh Dan Arus Hubung Singkat. Telah diketahui bahwa daya transformator distribusi bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat dirumuskan sebagai berikut: S = V I......(2.41) Dimana : S = daya transformator (kva) V = teganagan sisi primer transformator ( kv) I = arus jala-jala (A) Dengan demikian,untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat menggunakan rumus: IFL =...(2.42) Dimana: IFL = arus beban penuh (A) S = daya transformator (kva) V = tegangan sisi sekunder transformator (kv) Sedangkan untuk menghitung arus hubung singkat pada transformator digunakan rumus:

ISC =...(2.43) Dimana ISC = arus hubung singkat (A) S = daya transformator (kva) V = tegangan sisi sekunder transformator (kv) %Z = persen impedansi transformator II.6.2 Perhitungan losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral Pada Penghantar netral. Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap-tiap fasa pada sisi sekunder trafo (fasa R,fasa S, fasa T) mengalirlah arus di netral trafo.arus yang mengalir pada penghantar netral trafo ini menyebabkan losses (rugi-rugi).dan losses pada penghantral netral dapat dirumuskan sebagai berikut : PN = IN 2 RN...(2.44) Dimana: PN = losses pada penghantar netral trafo(watt) IN = arus yang mengalir pada netral trafo(a)