BAB II TRASFORMATOR II. UMUM Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang mampu mengubah maupun untuk menyalurkan energi listrik arus bolak-balik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik arus bolak-balik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang dapat menaikkan/menurunkan tegangan/arus dengan frekuensi yang sama. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer, dan kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit pada sekeliling kaki inti transformator. Penggunaan transformator yang sangat sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya dalam penyaluran tenaga listrik arus bolakbalik, karena arus bolak balik sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik terjadi kerugian energi sebesar I R watt. Kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan setinggi mungkin. Dengan demikian maka saluran saluran transmisi tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi, dan menaikkan tegangan listrik di pusat listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 k - 3 k yang kemudian, dengan bantuan transformator tegangan tersebut dinaikkan menjadi 50-500k. Saluran tegangan tinggi (STT) menyalurkan
tegangan ke pusat penerima; di sini tegangan diturunkan menjadi tegangan subtransmisi 70 k. Pada gardu induk (GI), tenaga listrik yang diterima kemudian dilepaskan menuju trafo distribusi (TD) dalam bentuk tegangan menengah 0 k. Melalui trafo distribusi yang tersebar di berbagai pusat-pusat beban, tegangan distribusi primer ini diturunkan menjadi tegangan rendah 380/0 yang akhirnya diterima pihak pemakai. Transformator yang dipakai pada jaringan tenaga listrik merupakan transformator tenaga. Disamping itu ada jenis jenis transformator lain yang banyak dipergunakan, dan yang pada umumnya merupakan transformator yang jauh lebih kecil. Misalnya transformator yang dipakai di rumah tangga untuk menyesuaikan tegangan dari lemari es dengan tegangan yang berasal dari jaringan listrik atau transformator yang lebih kecil, yang dipakai pada lampu TL. Dan yang lebih kecil lagi, transformator transformator mini yang dipergunakan pada berbagai alat elektronik, seperti pesawat penerima radio, televisi, dan lain sebagainya. II. KOSTRUKSI TRASFORMATOR Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti, transformator terdiri dari dua macam konstruksi, yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy.
Tipe inti (Core form) 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 yang disebut dengan kumparan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.. Gambar. Konstruksi transformator tipe inti (core form) Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf L atau huruf U, dapat kita lihat pada gambar.. Gambar. Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk L dan U Tipe cangkang (Shell form) Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada gambar.3.
Gambar.3 Transformator tipe cangkang (shell form) Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti. Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti terlihat pada gambar.4. Gambar.4 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk E, I dan F II.3 PRISIP KERJA TRASFORMATOR 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 dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi). dφ e = ( ) (olt) (.) dt Dimana : e = gaya gerak listrik (olt) = jumlah lilitan (turn) dφ = perubahan fluks magnet (weber/sec) dt 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. Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I 0 (arus eksitasi) yang juga sinusoidal, dan dengan menganggap belitan reaktif murni, I 0 akan tertinggal 90 o dari. Arus primer I 0 menimbulkan fluks (φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal. Fluks bolak-balik ini akan memotong kumparan primer dan kumparan
sekunder, dan harganya naik turun dalam arah bolak-balik, sehingga menginduksikan ggl pada kedua lilitan tersebut. Ggl yang diinduksikan dalam kumparan primer akan melawan tegangan yang dikenakan. φ I E E Gambar.5. Transformator dalam keadaan tanpa beban φ = φ sin ωt (weber)...(.) max Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi е (Hukum Faraday). e e e = =. dφ dt dφmax sinωt dt = ω φ cos ωt (tertinggal 90 o dari φ) max ο e = ω φ sin ( wt 90 )..(.3) max Dimana : e = gaya gerak listrik (volt) Harga efektifnya (rms) : = jumlah belitan di sisi primer (turn) ω = kecepatan sudut putar (rad/sec) φ = fluks magnetik (weber) E = ω φ max
E = π f φ max E = 3,4 f φmax E = 6,8 f φmax E = 4, 44 f φ max (volt).(.4) Pada rangkaian sekunder, fluks (φ) bersama tadi juga menimbulkan : e = dφ dt e = Harga efektifnya (rms) : ω φ max cos ωt E = 4, 44 f φmax (volt)..(.5) Karena kedua kumparan dipotong oleh fluks yang sama, maka ggl yang diinduksikan dalam setiap lilit dari kumparan adalah sama. Maka tegangan setiap lilit dalam kedua kumparan berturut-turut adalah E dan E, sehingga : E =..(.6) E Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, maka : E = = = a (.7) E Dimana : E = ggl induksi di sisi primer (volt)
E = ggl induksi di sisi sekunder (volt) = tegangan terminal sisi primer (volt) = tegangan terminal sisi sekunder (volt) = jumlah belitan sisi primer (turn) = jumlah belitan sisi sekunder (turn) a = faktor transformasi Dalam kenyataannya, arus primer I 0 bukanlah merupakan arus induktif murni, sehingga terdiri dari dua komponen (Gambar.6) :. Komponen arus pemagnetan I M, yang menghasilkan fluks (φ). Karena sifat inti besi yang non-linier, maka arus pemagnetan I M dan juga fluks (φ) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoidal.. Komponen arus rugi tembaga I C, menyatakan adanya daya yang hilang akibat adanya rugi hysteresis dan eddy current. I C sefasa dengan, dengan demikian hasil perkaliannya ( I C ) merupakan daya yang hilang. φ I o I C I M I o I M R C X M I C E Gambar.6. Arus peneralan dalam rangkaian vektoris dan skematis
II.3. Keadaan transformator berbeban Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban Z L, I mengalir pada kumparan sekunder, dimana I =. Z L I Ф m Ф Ф I AC ZL Gambar.7 Transformator dalam keadaan berbeban R X R X I I 0 I' I I C I M Z L R C X M Gambar.8 Rangkaian ekivalen transformator dalam keadaan berbeban Arus beban I ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) I 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 ', yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi: I = + (Ampere)...(.8) ' I 0 I
Bila komponen arus rugi inti (I c ) diabaikan, maka I 0 = I m, sehingga: I = I m + I ' (Ampere).(.9) Dimana: I = arus pada sisi primer (Amp) I' = arus yg menghasilkan Φ' (Amp) I 0 = arus penguat (Amp) I m = arus pemagnetan (Amp) I c = arus rugi-rugi inti (Amp) Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I M, maka berlaku hubungan : I M = I I ' I M = ( I M + I ) I = I ' I ' Karena I M dianggap kecil, maka I = I. Sehingga : I = I I = I II.4 RAGKAIA EKIALE TRASFORMATOR Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I m tidak seluruhnya merupakan fluks bersama (Ф M ), sebagian mencakup kumparan pimer (Ф ) atau mencakup kumparan sekunder saja (Ф ). Dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X dan fluks bocor Ф dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X sedang rugi
tahanan ditunjukan dengan R dan R, dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti gambar.9. R X R X I I o I' I I C I M R C X M E E Z L Gambar.9 Gambar rangkaian transformator ideal ФM I I' I0 IC IM IX IR E φ E IX I IR Gambar.0 Diagram vektor model rangkaian transformator ideal Dari diagram vektor diatas dapat pula diketahui hubungan penjumlahan vektor yaitu: = I R + I X + E E = I R + I X + E /E = / = a atau E = a E, hingga E = a (I R + I X + ) Maka : = I R + I X + a (I R + I X + ) = I R + I X + a I R + a I X + a
Karena I' /I = / = /a atau I = ai' Maka: = I R + I X + a (a I' R ) + a (a I' X ) + a = I R + I X + a I' R + a I' X + a = I R + I X + I' (a R + a X ) + a (olt)...(.0) Dari rangkaian transformator ideal diatas, apabila semua nilai parameter sekunder dinyatakan pada sisi rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a, dimana X' = X a, R' = R a, dan I' = I a maka : R X R' X' I I 0 I' I C R C X M I M a Z L '=a Gambar. Gambar rangkaian ekivalen transformator Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian ekivalen transformator tersebut dapat diubah menjadi seperti gambar. dibawah ini : I R X a R a X I' I o I C I M R C X M a Z L a Gambar. Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator
ФM I IX IR ai X ai R I a φ I0 IC IM Gambar.3 Diagram vektor parameter sekunder pada rangkaian primer Gambar. di atas dapat di sederhanakan dengan menggunakan R ek dan X ek yang dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini : R ek = R + a R (Ohm)...(.) X ek = X + a X (Ohm)...(.) Sehingga rangkaian di atas dapat diubah seperti gambar.4 di bawah ini : I I' R ek X ek I 0 Im Xm Rc I c a Z a L Gambar.4 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.4. Pengukuran beban nol
Rangkaian pengukuran beban nol atau tanpa beban dari suatu transformator dapat ditunjukkan pada gambar.5. Umumnya untuk pengukuran beban nol semua instrumen ukur diletakkan di sisi tegangan rendah (walaupun instrumen ukur terkadang diletakkan di sisi tegangan tinggi), dengan maksud agar besaran yang diukur cukup besar untuk dibaca dengan mudah. A W AC Gambar.5 Rangkaian pengukuran beban nol Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer di hubungkan dengan sumber tegangan, maka akan mengalir arus penguat I 0. Dengan pengukuran daya yang masuk (P 0 ), arus penguat I 0 dan tegangan maka akan diperoleh harga : R c = (Ohm)... (.3) P Z = 0 = jx R m c 0 (Ohm) (.4) I0 Rc + jx m Dimana : Z 0 = impedansi beban nol (Ohm) R c = tahanan beban nol (Ohm) X m = reaktansi beban nol (Ohm) II.4. Pengukuran hubung singkat Hubungan singkat berarti terminalnya dihubung singkatkan, sehingga hanya impedansi Z ek = R ek + j X ek yang membatasi arus. Karena harga R ek dan X ek ini
relatif kecil maka harus dijaga agar tegangan masuk ( sc ) cukup kecil, sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga I 0 akan relatif sangat kecil bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan A W AC A Gambar.6 Rangkaian Pengukuran hubung singkat I sc Rek Xek sc Gambar.7 Rangkaian ekivalen pengukuran hubung singkat parameter : Dengan mengukur tegangan sc, arus I sc dan daya P sc, akan dapat dihitung P R = (Ohm)..(.5) ek sc ( I sc ) = jx (Ohm)...(.6) sc Z ek = Rek + I sc ek X ek ek ek = Z R (Ohm).(.7) II.5 RUGI-RUGI PADA TRASFORMATOR
Rugi Tembaga Rugi Tembaga Sumber Kumparan primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder Out Put Rugi Besi Histeresis Dan Eddy Current Gambar.8 Blok diagram rugi rugi pada transformator I.5. Rugi tembaga ( Pcu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga yang terjadi pada kumparan sekunder dapat ditulis sebagai berikut : Pcu = I R (Watt)..(.8) 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.5. Rugi besi ( Pi ) Rugi besi terdiri atas : Rugi histerisis (Ph), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Ph = kh f Bmaks.6 watt...(.9) Kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Rugi arus eddy (Pe), yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : Pe = ke f B maks (Watt)..(.0) Kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah : Pi = Ph + Pe (Watt)..(.) II.6 TRASFORMATOR TIGA FASA
II.6. Umum Tiga transformator berfasa satu dapat dihubungkan untuk membentuk bank-3 fasa (susunan 3 fasa = 3 phase bank) dengan salah satu cara dari berbagai cara menghubungkan belitan transformator. Pada tiga buah transformator satu fasa yang dipakai sebagai transformator tiga fasa setiap kumparan primer dari satu transformator dijodohkan dengan kumparan sekundernya. Hendaknya dicatat bahwa pada transformator tiga fasa ini besar tegangan antar fasa ( L-L ) dan daya transformator (KA) tidak tergantung dari hubungan belitannya. Akan tetapi tegangan fasa netral ( L- ) serta arus dari masing-masing transformator tergantung pada hubungan belitannya. II.6. Konstruksi transformator tiga fasa Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. R S T PRIMER SEKUDER r s t Gambar.9 Konstruksi transformator tiga fasa tipe inti Salah satu jenis konstruksi yang biasa dipergunakan diperlihatkan pada gambar.0 :
R PRIMER r S SEKUDER s T t Gambar.0 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.6.3 Hubungan tiga fasa dalam transformator Secara umum hubungan belitan tiga fasa terbagi atas dua jenis, yaitu hubungan wye (Y) dan hubungan delta (Δ). Masing-masing hubungan belitan ini
memiliki karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda, selanjutnya akan dijelaskan dibawah ini. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta. Kedua hubungan ini dapat dijelaskan secara terpisah, yaitu :. Hubungan wye (Υ) Hubungan ini dapat dilakukan dengan menggabungkan ketiga belitan transformator yang memiliki rating yang sama dengan mempertemukan ujungujungnya pada satu titik seperti terlihat pada gambar. di bawah ini. R I R PRIMER S T I I S I T Gambar. Transformator Hubungan-Y Dalam hubungan-y dengan memakai kawat netral dalam keadaan seimbang dapat kita ketahui sebagai berikut : = = = (olt).(.) R S T ph = = = 3 (olt)...(.3) RS ST TR ph I = I = I = I = I (Amp)...(.4) L R S T ph Dimana: L = Tegangan line to line (olt)
ph = Tegangan fasa (olt) I L I ph = Arus line to line (Amp) = Arus fasa (Amp). Hubungan delta (Δ) Hubungan delta ini juga mempunyai tiga buah belitan dan masing-masing memiliki rating yang sama dengan menghubungkannya berbentuk segitiga, seperti terlihat pada gambar.. Dalam hubungan delta pada keadaan seimbang dapat kita ketahui sebagai berikut : I R - I T R I T I R SEKUDER I S I S - I R I T - I S S T Gambar. Transformator Hubungan Delta I = I = I = I (Amp).(.5) R R S T T S T ph I I = I I = I I = I = 3 I T S L ph (Amp) (.6) = = = (olt).(.7) RS ST TR ph
Dimana : L = Tegangan line to line (olt) ph = Tegangan fasa (olt) I L I ph = Arus line to line (Amp) = Arus fasa (Amp) Pada transformator tiga fasa selain terdapat dua hubungan belitan utama yaitu hubungan delta dan hubungan bintang. Ada empat kemungkinan lain hubungan transformator tiga fasa yaitu :. Hubungan YY Transformator tiga fasa Hubungan YY pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada gambar.3 berikut ini : a.. a' p s b +.. + b' LP Ф p p s Ф s LS c -.. + c' p3 s3 n n Gambar.3 Transformator Hubungan YY Pada hubungan Y-Y, tegangan primer pada masing-masing fasa adalah : φ P = LP / 3 (olt)....(. 8) Tegangan fasa primer sebanding dengan tegangan fasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah :
LP LS = 3 3 φp φs = a...(.9) Pada hubungan Y-Y ini jika beban transformator tidak seimbang maka tegangan pada fasa transformator tidak seimbang.. Hubungan YΔ Transformator tiga fasa Hubungan YΔ pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada gambar.4 berikut ini : a.. a' LP Ф p p s s Ф LS b.. b' p s c.. c' p3 s3 n Gambar.4 Transformator Hubungan YΔ Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan fasa primer LP = 3 dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama φp dengan tegangan fasa LS = ΦS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan ini adalah sebagai berikut : LP LS = 3 φs φp = 3 a (.30) Hubungan ini lebih stabil dan tidak ada masalah dengan beban tidak seimbang dan harmonisa. 3. Hubungan ΔY Transformator tiga fasa
berikut ini : Hubungan ΔY pada transformator tiga fasa ditunjukkan pada gambar.5 a +.. + a' LP Фp p s Ф s b -.. c' LS p s c.. - b' p3 s3 n Gambar.5 Transformator hubungan ΔY Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan fasa primer LP = ΦP dan tegangan sisi sekunder tegangan pada hubungan ini adalah : LS = 3. Maka perbandingan φs LP φp 3 LS = 3 φs = a.(.3) Hubungan ini memberikan keuntungan yang sama dan beda fasa yang sama seperti pada hubungan YΔ. 4. Hubungan ΔΔ Transformator tiga fasa Hubungan ini dapat dilihat pada gambar.6 berikut ini :
a +.. + a' LP Ф p p s Ф s LS b - - b'.. p s c.. c' p3 s3 Gambar.6 Transformator hubungan ΔΔ Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat dan tegangan fasa sama untuk primer dan sekunder transformator LP = ΦP dan LS = ΦS. Maka hubungan tegangan primer dan sekunder transformator adalah sebagai berikut : LP LS = φp φs = a...(.3) Perbedaan fasa pada hubungan ini tidak ada dan stabil terhadap beban tidak seimbang dan harmonisa.