BAB II TRANSFORMATOR II.. Umum Transformator merupakan komponen yang sangat penting peranannya dalam sistem ketenagalistrikan. Transformator adalah suatu peralatan listrik elektromagnetis 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 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 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 gardu induk disebut dengan Transformator Daya dan yang biasanya untuk melayani konsumen dikenal disebut dengan Transformator Distribusi.
II.. Konstruksi Transformator Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Konstruksi transformator ada dua tipe 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. II... 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 seperti yang ditunjukkan pada Gambar.. Gambar.. Konstruksi Transformator Tipe Inti ( core form ) Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf L atau huruf U seperti pada Gambar..
Gambar.. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentul L dan U II... Tipe cangkang ( Shell form ) 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. Gambar.3. Transformator Tipe Cangkang ( shell form ) Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti pada Gambar..4. Gambar.4. Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentuk E, I dan F
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 megnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Transformator digunakan 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 (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 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 dibebani sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ). dφ e = N..(. ) dt
Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] N dφ dt = jumlah lilitan = 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.. Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V yang sinusoidal, akan mengalirkan arus primer Io yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan N reaktif murni. Io akan tertinggal 90 0 dari V. φ I V N E E N V Gambar.5. Transformator Tanpa Beban
Arus primer Io menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid Ф = Фmax sin ωt... (.) Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan. Induksi е (Hukum Faraday) e = - N ω Фmax cosωt ( Tertinggal 90 0 dari Ф )... (.3) Harga efektif E = 4, 44 N f Фmax... (.4) Bila rugi tahanan dan adanya fluksi adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat hubungan E V N = = = a.. (.5) E V N II.3.. Keadaan Berbeban Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L, I mengalir pada kumparan sekunder, dimana I = V / Z L dengan θ = faktor kerja beban. φ φ φ I I V N E E N V Z Gambar.6. Transformator dalam Keadaan Berbeban. Arus beban I ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N I yang cenderung menentang fluks (Ф) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan Im. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I, sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi : I = I 0 + I '... (.6)
II.4. Rangkaian Ekivalen Transformator Tidak seluruh fluks yng dihasilkan oleh arus pemagnetan Im merupakan fluks bersama (Ф M ), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (Ф ) atau sekunder saja (Ф ) dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen ) yang dipakai untuk menganalisis kerja satu transformator, adanya fluks bocor Ф dan Ф dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukkan sebagai reaktansi X ek, sedangkan rugi tahanan ditunjukan dengan R ek. Dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti Gambar.7. R X I I R X I0 V IC IM RC XM E E V ZL Gambar.7. Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator. Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) Rc, Xm, R ek dan X ek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran (test) yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat. II.4.. Pengukuran Beban Nol Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer dihubungkan dengan segera tegangan V, maka hanya I 0 yang mengalir dari pengukuran daya yang masuk ( P ) arus I 0 dan tegangan V akan diperoleh harga :
V Rc =... (.7) P V jx R m c Z 0 = =... (.8) P R c + jx m Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm II.4.. Pengukuran Hubungan Singkat Hubungan singkat berarti impedansi beban Z L diperkecil menjadi nol sehingga hanya impedansi Zek = Rek + j Xek yang membatasi arus. Karena harga Rek dan Xek ini relatif kecil, harus dijaga agar tegangan masuk ( Vhs ) cukup kecil sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga Io akan relatif kecil kecil bila dibandingkan dengan arus nominal sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan. Dengan mengukur tegangan Vhs, arus Ihs dan daya Phs, akan dapat dihitung parameter : P R =... (.9) ek hs ( I hs ) Vhs Z ek = = R ek + jx ek... (.0) I hs X = Z R... (.) ek ek ek
II.5. Operasi Kerja Paralel Transformator Pertambahan beban pada suatu saat menghendaki adanya kerja paralel diantara transformator. Tujuan utama kerja paralel adalah agar beban yang dipikul sebanding dengan kemampuan kva masing masing transformator, sehingga tidak terjadi pembebanan lebih dan pemanasan lebih. Gambar.8. Rangkaian Dua Transformator Paralel. Untuk maksud di atas diperlukan beberapa syarat yaitu :. Perbandingan tegangan harus sama. Jika perbandingan tidak sama, maka tegangan induksi pada kumparan sekunder masing masing transformator tidak sama. Perbedaan ini menyebabkan terjadinya arus pusar pada kumparan sekunder ketika transformator dibebani. Arus ini menimbulkan panas pada kumparan sekunder tersebut.. Polaritas transformator harus sama. 3. Tegangan impedansi pada keadaan beban penuh harus sama. Dari rangkaian ekivalen, bisa diketahui : V = I Zek + V '... (.)
Dua transformator yang diparalelkan dapat digambarkan sebagai berikut : I total = I A + I B... (.3) Karena V = I Zek + V '... (.4) maka untuk keadaan beban penuh : V V ' = I A Z A = I B Z B... (.5) Persamaan di atas mengandung arti, agar kedua transformator membagi beban sesuatu dengan kemampuan kva nya sehingga tegangan impedansi pada keadaan beban penuh kedua transformator tersebut harus sama ( I A Z B = I B Z B ). Dengan demikian dapat juga dikatakan bahwa kedua transformator tersebut mempunyai impedansi per unit ( pu ) yang sama. II.6. Rugi Rugi dan Efisiensi Blok diagram rugi rugi transformator dapat dilihat pada Gambar.9. Rugi Tembaga Rugi Tembaga Sumber Kumparan primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder OutP ut Rugi Besi Histeresis Dan Eddy Current Gambar.9. Blok Diagram Rugi Rugi pada Transformator.
I.6.. Rugi Tembaga ( Pcu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : Pcu = I R... (.6) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi di sini merupakan resistansi AC. II.6.. Rugi Besi ( Pi ) Rugi besi terdiri atas : Rugi hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Ph = kh. f. Bmaks.6 watt... (.7) Kh = konstanta histeresis Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Rugi arus eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : Pe = ke f B maks... (.8) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah : Pi = Ph + Pe... (.9)
Nilai dari rugi rugi Transformator Distribusi menurut SPLN 50 tahun 997 dapat dilihat pada Tabel.. Rating (kva) Rugi tembaga ( Pcu ) (watt) Rugi besi ( Pi ) (watt) 5 700 5 50 00 90 00 750 30 60 000 400 00 850 550 35 3900 770 400 4600 930 680 6500 300 800 000 950 000 00 300 50 5000 700 600 800 3300 Tabel.. Nilai Rugi Rugi Transformator Distribusi II.6.3. Efisiensi Efisiensi dinyatakan sebagai : η = P P out in = P out Pout + rugi... (.0) dimana rugi = Pcu + Pi
II.6.3.. Perubahaan Efisiensi terhadap Beban Perubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai : η = V cos φ V cos φ + I R ek P + I... (.) Melalui penurunan persamaan di atas bisa dicari nilai efisiensi maksimum untuk beban tertentu yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti. II.6.3.. Perubahan Efisiensi terhadap Factor Kerja (Cos Ф) Beban sebagai : Perubahan efisiensi terhadap factor kerja (Cos Ф) beban dapat dinyatakan η = cos X φ + X... (.) Jika X = rugi / V I = konstan Hubungan antara efisiensi dengan beban pada Cos Ф bisa dilihat pada Gambar.0 Gambar.0. Kurva Perubahan Efisiensi terhadap Factor Kerja
II.7. Persamaan Operasional Transformator Ideal Arus listrik yang mengalir melalui hantaran, akan menimbulkan medan magnet pada sekitar lilitan, yang digambarkan sebagai garis - garis fluksi yang dinyatakan dengan symbol Ф dengan satuan besaran Weber. Besaran kerapatan medan magnet dinyatakan dengan banyaknya garis - garis fluksi yang melalui suatu bidang dengan luas tertentu (S) dan dinyatakan dengan simbol B dengan satuan besaran Weber/m. Intensitas medan magnet disebut dengan kuat medan magnet dan dinyatakan dengan besaran fluksi dengan symbol H dalam satuan Ampere/m. berikut : Hubungan antara kerapatan dan intensitas medan magnet adalah sebagai B = µ.h..(.3) dimana μ adalah permeabilitas media dengan besaran satuan Hendry/m dan sama dengan μr. μo - μr adalah permeabilitas relatif dari media. - μo permeabilitas udara yang mempunyai nilai 4π x0-7 H/m. Besaran fluksi Ф yang dikaitkan dengan besaran kerapatan fluksi B mempunyai hubungan sebagai berikut : φ = S B (.4) Hubungan antara arus listrik I dan kuat medan dinyatakan dengan hukum Ampere sesuai dengan persamaan sebagai berikut : H. dl = N i (ampere lilitan)... (.3)
Jika permeabilitas media pada persamaan.3 bernilai tak terhingga, maka tidak terdapat sirkulasi medan magnet akibatnya integral kuat medan H di sekeliling jalur tertutup adalah nol sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut : N i N i = 0..(.4) Bila lilitan dihubungkan dengan sumber tegangan dan lilitan terbuka (tanpa beban) maka akan mengalir arus yang akan menghasilkan tegangan induksi sebagai akibat dari fluksi yang timbul pada masing - masing lilitan. Arus yang mengalir pada lilitan pada kondisi tersebut disebut juga sebagai arus eksitasi. Dari kondisi tersebut, persamaan operasional transformator dapat ditulis sebagai berikut : N = (.5) V i N i dφ dt = N = e dφ V = N = dt e...(.6)..(.7) Rasio tegangan transformator dapat diturunkan dari persaman.6 dan.7 dan diperoleh : V a = V = (.8) N N dimana k adalah konstanta pengenal dari rasio tegangan transformator : - Jika N > N atau a >, maka transformator ini disebut trafo step up. - Jika N < N atau a <, maka transformator ini disebut trafo step down
II.7.. Transformator Fasa Satu Dengan mengabaikan rangkaian magnetisasi pada rangkaian ganti transformator, pemodelan transformator dilakukan dengan pengelompokan parameter yang dibutuhkan (reaktansi dan induktansi). Gambar.. Model Transformator Fasa II.7.. Transformator Tiga Fasa Pada prinsipnya transformator tiga fasa sama dengan transformator satu fasa. Perbedaannya adalah seperti perbedaan listrik satu fasa dengan listrik tiga fasa yaitu dengan mengenal sistem bintang (Y) dan sistem delta ( ) serta sistem zig zag. Transformator tiga fasa ini dikembangkan dengan alasan ekonomis. Untuk menganalisa trafo daya 3 fasa dilakukan dengan memandang transformator 3 fasa sebagai trafo fasa. Hanya untuk hasil akhir biasanya parameter tertentu (arus,
tegangan, daya) transformator tiga fasa dikaitkan dengan nilai 3 (seperti pada persamaan listrik arus bolak balik). Gambar di bawah ini adalah pemodelan trafo 3 fasa yang dihubungkan bintang Y dan delta. I B I CA I AB I N I C I BC I C I B Gambar.. Model Transformator 3 Fasa terhubung Y dan Delta