BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Transformator Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan atau mentransfer power listrik dari satu sirkuit ke sirkuit-irkuit lainnya, secara induksi electromagnet tanpa merubah frekuensi. 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 dibelitkan seputar kaki inti transformator. Untuk itu memerlukan suatu gandengan magnet dan prinsip kerja induksi elektromagnetis dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya.arus yang besar akan menimbulkan rugi yang besar yaitu P = I 2 x R dan selain itu arus yang besar juga akan membutuhkan penampang kawat atau kabel yang besar dan ini akan memerlukan biaya yang lebih besar. Penyaluran tenaga listrik dari pembangkit (generator) ke pemakai (beban) biasanya menempuh jarak yang jauh.sehingga untuk mengurangi susut daya yang diakibatkan oleh adanya rugi-rugi, maka diperlukan Transformator untuk menaikkan dan menurunkan tegangan.transformator yang berkapasitas besar yang ada di pusat pembangkit dan di 7
gardu induk disebut dengan Transformator Daya dan yang biasanya untuk melayani konsumen dikenal disebut dengan Transformator Distribusi. 2.2 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 bolakbalik 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). Kumparan yang dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik disebut kumparan primer (input) dan kumparan yang lainnya disebut kumparan sekunder (output). Perubahan kuat arus dalam kumparan primer menimbulkan perubahan flux magnetik dalam inti besi. Perubahan flux magnetik dalam inti besi membangkitkan GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi pada kumparan sekunder. 8
Gambar 2.1. Prinsip Kerja Transformator Untuk mengetahui besarnya GGL yang dibangkitkan pada kumparan primer ataupun sekunder menggunakan rumus yang mengacu pada hukum Induksi Faraday. Jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan kumparan primer, dan tegangan sekunder lebih besar dari tegangan primer maka disebut Step-Up Transformer.Begitupun apabila jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan kumparan sekunder, makategangan primer lebih besar dari tegangan sekunder disebut Step Down Transformator. 2.3 Hukum-Hukum Pada Transformator 2.3.1 Hukum Induksi Faraday Hukum utama dalam transformator adalah hukum induksi faraday. Menurut hukum ini suatu gaya listrik melalui garis lengkung yang tertutup, adalah berbanding lurus dengan perubahan persatuan waktu dari pada arus induksi atau flux yang dilingkari oleh garis lengkung. Sesuai dengan hukum Faraday maka ggl yang dihasilkan pada kumparan primer : 9
e1= - N1 dθ dt (2.11) penjabaran rumus (2.11) sebagai berikut : e1 dɸ max sin ωt = - N1 dt e1 = - N1 ωφ max cos ωt(tertinggal 90 dariφ) e1 = - N1 ωφ max sin( ωt 90 ) (2.12) Dimana : e1 = Gaya Gerak Listrik Induksi N1 =Jumlah Belitan Di Sisi Primer ω = Kecepatan Sudut Putar Φ = Fluks Magnetik Harga efektif (rms) : N 2πfθmax E1 = 2 (2.13) Penjabaran rumus (2.13) sebagai berikut : N1 2πfΦmax E1 = 2 N1.2 3,14.f.Φmax E1 = 2 6,28 N1 Φmax E1 = 2 10
E 1 = 4,44. N 1. f. θ max (2.14) Dimana : E1 = gaya gerak listik induktif efektif (Volt) f = frekuensi (Herz) Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi juga menimbulkan : e2 =-N2 dθ dt (2.15) e2=-n2ωθmax cos ωt (2.16) dan harga efektif (rms) : E 2 = 4,44. N 2. f. θ max (2.17) Ep = d x Np (2.18) dt Es = d x Ns (2.19) dt Sebagaimana pada rumus 2.18 dan 2.19 bahwasanya nilai GGL pada kumparan primer maupun kumparan sekunder berbanding lurus dengan banyaknya lilitan pada kumparan tersebut, sehingga dapat dituliskan : Ep : Es = Np : Ns (2.20) E S = N S N P E P (2.21) E P = N P N S E S (2.22) 11
Keterangan : Ep Es Np Ns Ip Is = GGL induksi pada kumparan primer = GGL induksi pada kumparan sekunder = jumlah kumparan primer = jumlah kumparan sekunder = arus di kumparan primer = arus dikumparan sekunder Kita anggap tidak ada energi listrik yang hilang pada perpindahannya dari kumparan primer ke kumparan sekunder maka : Wp = Ws (2.23) Es.Is. t = Ep.Ip.t (2.24) I S = E P E S I P I S = N P N S I P Ip : Is = Ns : Np (2.25) Dari hubungan itu dapat dilihat bahwa apabila jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih banyak, maka kuat arus pada kumparan sekunder lebih kecil daripada kuat arus dalam kumparan primer. 12
2.3.2 Hukum Lorenz Selain hukum Faraday, transformator menggunakan hukum gaya Lorenz. Menurut hukum ini gaya yang ditimbulkan oleh muatanlistrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet. Arah gaya ini akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah gerak muatan listrik ke arah medan magnet, seperti terlihat pada gambar berikut ini. Gambar 2,2. Hukum Lorenz Untuk gaya Lorentz yang ditimbulkan oleh arus listrik (I) dalam suatu medan magnet (B), rumusnya akan terlihat sebagai berikut : F = B I L (2.18) Dimana : F I B L = Gaya Yang Diukur Dalam Unit Satuan Newton = Arus Listrik Dalam Satuan Ampere = Medan Magnet Dalam Satuan Tesla = Panjang Kawat Listrik Yang Dialiri Listrik Dalam Satuan Meter 13
2.4 Komponen Utama Tranformator 2.4.1 Kumparan(Windings) Bahan konduktor belitan adalah tembaga (Cu) atau aluminium (Al).konduktor belitan sekunder dapat berbentuk segi empat (rectangle) atau lembaran (sheet/foil). Bahan isolasi dari konduktor belitan harus sesuai dengan suhu kerja transformator dari bahan minyak.belitan tidak boleh di impregnasi dengan varnish. Gambar 2.3. Kumparan Primer Dan Sekunder Bentuk konduktor belitan dalam transformator daya biasanya persegi panjang dalam rangka pemanfaatan ruang yang tersedia secara efektif.bahkan dalam transformator lebih kecil untuk keperluan distribusi di mana diperlukan penampang konduktor dapat dengan mudah diperoleh dengan kawat melingkar kecil, kawat ini sering diratakan pada dua belah pihak untuk meningkatkan faktor ruang di jendela inti.konduktor yang digunakan pada L.V berbentuk persegi panjang yang sejajar sedangkan pada H.V konduktor yang digunakan berbentuk lingkaran yang memiliki diameter. Dan lapisan isolasi yang berada pada konduktor belitan biasa disebut pernia enamel. 14
2.4.2 Inti Besi (Core) Faktor kunci inti besi (core) yang dapat mempengaruhi transformator adalah berat, ukuran, harga dan karakteristik lainnya. Itu dibangun secara lembaran laminasi baja (cold-rolled graind oriented) dengan permeabilitas magnet yang tinggi dan sangat rendah rugi tanpa beban. Setiap lapisan terisolasi di setiap sisi dengan lapisan magnesium-silikat-fosfat untuk mengurangi rugi eddy current. Konstruksi inti besi standar adalah tipe bentuk inti dengan tiga fase, tiga inti kaki atau satu fase, dua inti kaki. Selanjutnya jenis bentuk inti dengan fase tunggal, tiga inti kaki dan tiga fase, lima inti kaki dan jenis khusus lainnya dapat diproduksi. Jalur baja silikon berorientasi dipotong dengan mesin komputerisasi (cut-to-length mechine), sehingga meminimalkan celah udara dalam rugi gabungan dan tingkat kebisingan selama operasi.core dirakit dengan cara sebagai berikut untuk diperketat secara merata tanpa kehilangan sebagian kekuatan. Inti kaki di mana batang kayu keras dimasukkan, dikencangkan dengan resin sintetik terimpregnasi jenis kaca. Inti yoke dengan meninju lubang yang ditekan dengan rangka baja kaku dan menjepit erat dengan baut terisolasi. Struktur yang disebutkan mengurangi getaran bagian dalam dan tingkat kebisingan. 15
a) b) Gambar 2.4 a). 3 fasa 3 kaki b). 3 fasa 5 kaki Strip baja silikon orientasi, di mana fluks magnetik harus mengalir sejajar dengan arah menggulung, dilaminasi dan tumpang tindih. Mereka dipotong pada sudut 45 0.Dalam inti besi(core) transformator tenaga, kertas isolasi yang sesuai yang disisipkan di antara beberapa laminasi untuk mengurangi eddy current dan untuk meminimalkan hubung singkat magnetik.juga saluran pendingin yang sesuai disediakan untuk mendapatkan pendinginan yang efektif. 2.5 Tipe Core Transformator Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti feromagnetik.konstruksi transformator memiliki dua tipe yaitu tipe inti (Core Type) dan Tipe Cangkang (Shell Type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama yang lain, dengan tujuan untuk mengurangi rugirugi eddy current. 16
2.5.1 Tipe inti (Core Type) Tipe ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi.pada konstruksi tipe ini, lilitan mengelilingi inti besi, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.5. Gambar 2.5. Tipe Inti (Core Type) Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf L dan huruf U. (Gambar 2.6) Gambar 2.6. Kontruksi Core Type 17
2.5.2 Tipe cangkang (Shell Type) Jenis Konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang (shell type) yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti besi.pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti. Gambar 2.7. Tipe Cangkang (Shell Type) Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I dan huruf F. Gambar 2.8. Konstruksi Shell Type 18
2.6 Material Inti Besi (Core) Inti Transformator dibangun dari lembaran tipis dari baja silikon.inti baja adalah paduan dengan silikon (Si).Silikon meningkatkan hambatan listrik spesifik, yang sekali lagi mengurangi kerugian eddy current di inti.sifat yang berbeda diperoleh dengan komposisi bahan baku, tingkat rolling dan berbagai perawatan penyelesaian dingin. Gambar 2.9. Material Core Dengan Berbagai Ukuran Untuk meminimalkan kerugian eddy current, lembaran harus terisolasi dari satu sama lain. Sebelumnya itu biasanya menggunakan pernis atau kertas.saat ini inti baja disampaikan sudah siap terisolasi dari pembuatnya.isolasi adalah bahan anorganik cocok dengan minyak trafo dan korosi dan tahan suhu.lapisan tipis berarti faktor isi inti yang baik. Inti dibangun dari banyak lapisan lembaran-lembaran baja inti.rugi eddy current dalam inti baja sebanding dengan kuadrat ketebalan.oleh karena itu lembaran baja harus tipis untuk mengurangi beban tidak memiliki kerugian. 19
2.7 Rugi-rugi yang terdapat pada inti besi (Core) 2.7.1 Rugi Hysteresis Rugi hysterisis terjadi karena respon yang lambat dari material inti.hal ini terjadi karena masih adanya medan magnetik residu yang bekerja pada material, jadi saat arus eksitasi bernilai 0, fluks tidak serta merta berubah menjadi 0 namun perlahan-lahan menuju 0. Sebelum fluks mencapai nilai 0 arus sudah mulai mengalir kembali atau dengan kata lain arus sudah bernilai tidak sama dengan 0 sehingga akan membangkitkan fluks kembali. Grafik hysterisis dapat dilihat pada Gambar 2.11. Gambar 2.10. Loop Histerisis Rugi histerisis dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : P h = K h. f. B maks 1.6(watt) (2.23) Kh f Bmaks = konstanta = frekuensi [Hz] = Fluks maksimum [webber] 20
2.7.2 Rugi Arus Pusar (Eddy Current) Rugi-rugi arus eddy adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pemanasan akibat timbulnya arus eddy (pusar) yang terdapat pada inti besi Transformator. Rugi-rugi ini terjadi karena inti besi terlalu tebal sehingga terjadi perbedaan tegangan antara sisinya maka mengalir arus yang berputar-putar di sisi tersebut. Rugi-rugi arus eddy sebanding dengan kuadrat tegangan yang disuplai ke Transformator. Rugi arus pusar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : P e = K e. f 2. t 2. B max 2 (2.24) P e k e f t B max = Rugi arus pusar [w/kg] = Konstanta material inti =Frekuensi [Hz] = Ketebalan material [m] = Nilai puncak medan magnet [T] 21
2.8 Konstruksi Inti Besi (Core) 2.8.1 Konstruksi Inti besi dapat dibentuk dengan 2 cara, yaitu : 1. Susunan (Stacking) Pemasangan dengan bentuk model stacking core adalah suatu lempengan core yang dimana di pasang dengan cara di susun secara bertahap sampai membentuk suatu susunan seperti anak tangga dan berbentuk seperti huruf E. Lempengan core yang paling banyak susunannya terdapat di tengah atau bisa disebut induk core.susunan core selanjutnya itu semakin kecil disusun sesuai design. Core (Inti Besi) Fixing Part Gambar 2.11.Bentuk Core TipeStacking Bentuk stacking menunjukkan tiga fase dengan inti tiga kaki, yang magnetis terhubung satu sama lain di ujung atas dan bawah dengan yoke. Ruang yang tersedia untuk gulungan disebut jendela.biasanya kaki tersebut diatur dalam satu bidang dan dengan orientasi vertikal.dalam tiga fase transformator semua gulungan untuk setiap fase yang terletak pada kaki mereka sendiri.semua berada di inti fluks akan tetap ketika tiga kaki 22
yang terhubung bersama di ujung atas dan bawah. 1.1 Macam Macam Bentuk Step Pada Stacking Bentuk Step pada stacking merupakan bentuk jumlah luas persegi panjang didalam luas lingkaran dari suatu inti core yang akan disusun untuk dapat menghasilkan fluk yang diinginkan dan sesuai standar. Susunan yang dilakukan terdapat 1-10 step/susunan dengan ukuran panjang dan lebar yang berbeda sesuai dengan besar luas dari coil yang akan digunakan dan kapasitas daya transformator yang digunakan. Gambar 2.12. Bentuk contoh step dan susunan stacking Oleh karena itu penampang melintang inti adalah melingkar karena ini akan memaksimalkan area produktif fluks. Dalam prakteknya, inti ditumpuk dalam langkah-langkah yang mendekati penampang 23
silang lingkaran seperti ditunjukkan pada Gambar.2.14.Setiap stepstep yang disusun terdiri dari beberapa lembaran-lembaran silicon steel. Gambar 2.13. Penyusunan Lembaran Core tipe V-notch Gambar 2.14. Penyusunan Lembaran Core Tipe Konvensional Penyusunan lembaran core tipe konvensional digunakan untuk kapasitas daya 4.000 kva. 24
Yoke atas ` Fixing Part Coil Core Leg Coil Core Yoke Bawah Gambar 2.15. Design core dan coil Fixing Part Inti terbuat dari lapisan tipis atau laminasi baja listrik, terutama dikembangkan untuk sifat magnetik yang baik.sifat magnetik paling baik sepanjang arah bergulir, jadi ini adalah arah fluks secara alami ingin mengembangkan dalam sebuah desain inti yang baik.core ditumpuk ada gap di sudut mana inti baja berubah arah. Hal ini menyebabkan karakteristik magnetik buruk daripada wound core. Dalam transformator daya yang lebih besar, core ditumpuk jauh lebih umum sedangkan pada trafo distribusi kecil, wound core mendominasi.laminasi untuk kedua jenis core yang dilapisi dengan lapisan isolasi untuk mencegah jalan besar arus eddy dari pengembangan yang akan mengakibatkan kerugian yang tinggi. 25
2. Gulungan (Wound type) Pemasangan dengan bentuk model wound core adalah suatu lempengan core yang di pasang dengan cara gulungan yang berlapis sampai sesuai dengan design yang telah ditentukan dengan bentuk awal melingkar. Selanjutnya dari bentuk melingkar ini lalu bentuk dari wound core ini di press dengan menggunakan alat dan akan berbentuk seperti rectangle namun di setiap sisinya memiliki nilai radius. Gambar 2.16. Bentuk Wound Core Bentuk wound core menunjukan tiga-fase dengan intilima kaki, fluks dari tiga kaki utama dengan gulungan memiliki jalan kembali tambahan melalui dua kaki sisi luar. Ini berarti bahwa fluks utama membagi ketika datang ke yoke. Yoke dan sisi kaki kemudian dapat dimensioned untuk satu setengah dari fluks utama. Dengan kata lain, bagian silang dari yoke dan kaki sisi adalah satu setengah dari penampang kaki utama. Pada akhirnya ini memberikan desainer kemungkinan untuk mengurangi total ketinggian inti dan tinggi transportasi, sedangkan ketinggian kaki dan ruang jendela dapat 26
tetap sama seperti di inti tiga-kaki.sebuah inti lima kaki lebih mahal dari pada inti tiga kaki. Coil Core Gambar 2.17. Core Dan Coil Tipe Wound Inti ini kemudian dipotong sehingga dapat dimasukkan sekitar kumparan. Memotong laminasi kemudian bergeser relatif terhadap satu sama lain dan dipasang kembali untuk membentuk jenis tingkatan staggered dari gabungan. Jenis bersama memungkinkan fluks untuk membuat transisi yang mulus atas wilayah dipotong daripada yang mungkin dengan jenis pangkal bersama dimana laminasi tidak staggered.pemotongan Inti adalah mengubah bentuk menjadi bentuk persegi panjang untuk memberikan lebih erat sesuai di sekitar kumparan. Karena operasi pembentukan kembali dan memotong mengakibakan stres ke dalam baja yang biasanya buruk bagi sifat magnetik, core ini perlu reannealed sebelum digunakan untuk membantu memulihkan properti ini. Sebuah inti wound tanpa sambungan akan perlu dibalut mengelilingi kumparan. 27
Core Core Coil Coil Fixing Part Gambar 2.18. Design core dan coil. 28