BAB II TRANSFORMATOR 2.1 UMUM Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkain listrik ke rangkaian listrik lainnya melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. 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. Pada umumnya kumparan tersebut terbuat dari kawat tembaga yang dibelitkan pada kaki inti transformator.[1] Penggunaan transformator yang sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya dalam penyaluran tenaga listrik arus bolakbalik, dimana arus bolak-balik sangat banyak digunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik terjadi kerugian energi sebesar I 2 R watt. Kerugian ini dapat diminimalkan dengan menaikkan tegangan 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, dengan cara mempergunakan trafo untuk menaikkan tegangan listrik di pusat listrik dari tegangan generator, kemudian menrunkannya lagi pada ujung akhir saluran ke tegangan yang lebih rendah. Transformator yang dipakai pada jaringan distribusi merupakan transformator distribusi 3 phasa. Disamping itu ada jenis-jenis trafo lain yang 5
banyak dipergunakan, dan yang pada umumnya merupakan transformator yang jauh lebih kecil. Misalnya transformator yang dipakai di rumah tangga untuk menyesuaikan tegangan pada lemari es yang berasal dari jaringan listrik umum. Atau trafo yang lebih kecil yang dipakai pada lampu TL ataupun pada berbagai alat elektronik seperti pesawat penerima radio, televisi dan lain sebagainya. 2.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti trafo. Transformator yang menjadi fokus bahasan disini adalah transformator daya.[2] Konstruksi transformator daya 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. 2.1.2 Tipe Inti ( Core Type ) 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 di tunjukkan pada Gambar 2.1.[3] 6
Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti ( core form ) Sedangkan konstruksi inti umumnya berbentuk huruf L atau huruf U seperti Gambar 2.2. Lempengan bentuk L Lempengan bentuk U Gambar 2.2 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk L dan U 2.2.1 Tipe cangkang ( Shell Type ) 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 trafo dikelilingi oleh inti seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.[3] 7
Gambar 2.3 Transformator tipe cangkang ( shell form ) Sedangkan konstruksi intinya berbentuk hurug E, huruf I, atau huruf F seperti Gambar 2.4. Gambar 2.4 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk E, I, dan F 2.3 PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat mengubah dan menyalurkan energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prisnsip induksi 8
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.[1] Gambar 2.5 Prinsip kerja transformator Transformator terdiri atas dua buah kumparan ( primer dan sekunder ) yang bersifat induktif. Seperti pada Gambar2.5, 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 didalam 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 dikumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan ( secara 9
magnetisasi ). Secara umum suatu kumparan dialiri arus bolak-balik akan timbul ϕ, lalu timbul tegangan induksi sebesar : d e N... (2.1 ) dt Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] N = jumlah lilitan d = perubahan fluks magnet 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 dan tetap mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti ferromagnetik pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi ( tahanan magnetis ) dari rangkaian magnetis ( common magnetic circuit ). 2.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V 1 yang sinusoidal seperti Gambar 2.6, akan mengalir arus primer I 0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N 1 reaktif murni. I 0 akan tertinggal 90 dari V 1. Arus primer I 0 menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusiod.[1] 10
Gambar 2.6 Transformator dalam keadaan tanpa beban Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi e 1 ( Hukum Faraday). d e 1 = -N 1 dt d e 1 = -N max sin t 1 dt e 1 = -N 1 ωф max sin ωt cos ωt (tertinggal 90 dari Ф) e 1 = -N 1 ωф max sin ωt (ωt-90)... (2.2) dimana : e 1 = Gaya gerak listrik induksi N 1 = jumlah belitan di sisi primer ω = Kecepatan sudut putar max = Fluks magnetic 11
Harga efektif : E 1 = N1 max 2 E 1 = N12 f max 2 E 1 = N1 2 3.14 f max 2 E 1 = N1 6.28 f max 2 E 1 = 4.44 N 1 f ϕ max... (2.3) Dimana : E 1 = gaya gerak listrik f = frekuensi Bila rugi tahanan dan adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat hubungan : E1 V1 E2 V 2 N1 a... (2.4) N 2 Dimana : E 1 = GGL induksi di sisi primer (volt) E 2 = GGL induksi di sisi sekunder (volt) V 1 = tegangan terminal di sisi primer (volt) V 2 = tegangan terminal di sisi sekunder (volt) 12
N 1 = jumlah belitan di sisi primer N 2 = jumlah belitan di sisi sekunder 2.3.2 Keadaan Beban Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L seperti Gambar 2.7, akan mengalir arus I 2 pada kumparan sekunder, dimana : V I 2 2 Z L Gambar 2.7 Transformator dalam keadaan berbeban Arus beban I 2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N 2 I 2 yang cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus permagnetan[1]. 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)... (2.5) 13
Bila komponen arus rugi inti (I C ) diabaikan, maka I 0 = I m, sehingga I 1 = I m + I 2 (ampere)... (2.6) Dimana : I 1 = arus pada sisi primer I 0 = arus penguat I m = arus pemagnetan 2.4 RANGKAIAN EKIVALEN TRANSFORMATOR Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I m tidak seluruhnya merupakan fluks bersama (Φ M ), sehingga darinya hanya mencakup kumparan primer (Φ 1 ) atau mencakup kumparan sekunder (Φ 2 ) saja dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Φ 1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukkan sebagai reaktansi X 1 dan fluks bocor Φ 2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukkan sebagai reaktansi X 2 sedang rugi tahanan ditunjukkan dengan R 1 dan R 2, dengan demikian model rangkaian dapat ditunjukkan seperti Gambar 2.8.[2] Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen transformator 14
V 1 = E 1 + I 1 R 1 + I 1 V 1 E 1 = ae 2 E 2 = I 2 R 2 + I 2 jx 2 + V 2...(2.7) I 2 = ai 2 V 1 = a(i 2 R 2 + I 2 jx 2 + V 2 ) + I 1 R 1 + I 1 jx 1 V 1 = ai 2 R 2 + ai 2 jx 2 + av 2 + I 1 R 1 + I 1 jx 1 V 1 = a(ai 2 R 2 ) + a(ai 2 jx 2 ) + av 2 + I 1 R 1 + I 1 jx 1 V 1 = a 2 I 2 R 2 + a 2 I 2 jx 2 + av 2 + I 1 R 1 + I 1 jx 1 V 1 = I 2 (a 2 R 2 + a 2 jx 2 )+ av 2 + I 1 R 1 + I 1 jx 1... (2.8) Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a 2, dimana a = E 1 /E 2. Sekarang model rangkaian menjadi sebagai terlihat pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen transformator jika impedansi sekunder dinyatakan terhadap impedansi primer 15
Jika impedansi primer dari sebuah transformator dinyatakan terhadap impedansi sekundernya maka rangkaian ekivalen transformator ditunjukkan dalam Gambar 2.10 Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen transformator jika impedansi primer dinyatakan terhadap impedansi sekunder Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti Gambar 2.11 : Gambar 2.11 Parameter sekunder pada rangakaian primer Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut : R ek = R 1 + a 2 R 2 (ohm)... (2.9) 16
X ek = X 1 + a 2 X 2 (ohm)... (2.10) Sehingga rangkaian sebelumnya dapat diubah seperti Gambar 2.12 : Gambar 2.12 Hasil akhir penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) R c, X m, R ak, dan X ak dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubung singkat. 2.5 RUGI RUGI DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR 2.5.1. Rugi tembaga ( Pcu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : Pcu = I 2 R... (2.11) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.[3] 17
2.5.2. Rugi besi (Pi) Rugi besi terdiri atas : Rugi histerisis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : Ph = kh f Bmaks 1.6 watt... (2.12) kh = konstanta Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Rugi arus eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : Pe = ke f 2 B 2 maks... (2.13) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah Pi = Ph + Pe... (2.14) 2.5.3. Efisiensi Efisiensi dinyatakan sebagai : Pout Pout... (2.15) Pin Pout rugi Dimana rugi Pcu Pi 18
2.5.3.1. Perubahan eifisiensi terhadap beban Perbuahan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai : V 2 cos... (2.16) P1 V 2 cos I 2R2ek I 2 Melalui penurunan persamaan di atas bisa dicari nilai efisiensi maksimum untuk beban tertentu yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13. Gambar 2.13 Beban pada efisiensi maksimum 2.6 TRANSFORMATOR TIGA PHASA 2.6.1 UMUM Pada prinsipnya, transformator tiga phasa sama dengan transformator satu phasa, perbedaannya adalah seperti perbedaan sistem listrik satu phasa dengan sistem listrik tiga phasa yaitu mengenal sistem bintang ( Y ) dan delta ( Δ ), serta 19
sistem zig-zag ( Z ), dan juga sistem bilangan jam yang sangat menentukan untuk kerja paralel transformator tiga phasa. Untuk menganalisa transformator daya tiga phasa dilakukan dengan memandang atau menganggap transformator tiga phasa sebagai transformator satu phasa, teknik perhitungannya pun sama, hanya untuk nilai akhir biasanya parameter tertentu ( arus, tegangan, dan daya ) transformator tiga phasa dikaitkan dengan nilai 3. Transformator tiga phasa ini berkembang dengan alasan ekonomis, biaya lebih murah, karena bahan yang digunakan lebih sedikit dibandingkan tiga buah transformator satu phasa dengan jumlah daya yang sama dengan satu buah transformator tiga phasa, lebih ringan dan lebih kecil sehingga mempermudah pengangkutan ( menekan biaya pengiriman ), pengerjaannya lebih cepat, serta untuk menangani operasinya hanya satu buah transformator yang perlu mendapat perhatian (meringankan pekerjaan perawatan). 2.6.2 Konstruksi Transformator Tiga Phasa Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar didalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya teradiri dari setumpuk laminasi tipis. Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan diperlihatkan pada Gambar 2.14. 20
Gambar 2.14 Transformator tiga phasa Dalam jenis transformator tipe cangkang (Shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.15. Kebanyakan fluks terkurung dalam inti dan karena itu dirangkum oleh kedua kumparan. Meskipun fluks bocor yang dirangkum salah satu kumparan tanpa dirangkum yang lain merupakan bagian kecil dari fluks total, ia mempunyai pengaruh penting dengan membagi bagi kumparan dalam bagian-bagian yang diletakkan sedekat mungkin satu sama lainnya. Gambar 2.15 Transformator 3 phasa tipe cangkang 21
2.6.3 Hubungan Transformator Tiga Phasa Dalam pelaksanaannya tiga buah lilitan fasa dalam sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam macam hubungan, seperti hubungan bintang, hubungan segitiga (delta) dan hubungan kombinasi Y-Y, Y- Δ, Δ-Y dan Δ- Δ. Bahkan dalam kasus tertentu lilitan sekunder dapat dihubungkan secara berliku-liku (zig-zag), sehingga didapatkan kombinasi Δ-Z dan Z-Y.[2] Hubungan zig-zag merupakan sambungan bintang istimewa, hubungan ini untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara bintang dengan beban setiap phasanya tidak seimbang. A. Hubungan Wye Wye ( Y Y ) Jika tegangan tiga phasa dipasok ke transformator Y Y, maka tegangan tiap-tiap phasanya akan saling berbeda 120 [2]. Hubungan pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.16 : Gambar 2.16 Transformator hubungan Y-Y 22
Tegangan primer pada masing-masing phasa adalah : V Φp = V ST... (2.17) 3 Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah : V V ST st 3V P a... (2.18) 3V S B. Hubungan Wye Delta (Y Δ) Beda phasa antara sisi primer dan sekunder sebesar 30 atau kelipatannya yang hendak dihubungkan secara paralel, sisi sekunder transformator yang akan diparalelkan harus memiliki beda phasa yang sama. Digunakan sebagai penaik tegangan untuk sistem tegangan tinggi[2]. Hubungan Wye-Delta dapat dilihat pada Gambar 2.17. 23
Gambar 2.17 Hubungan transformator Y- Δ Tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer V RS = 3 V ΦP... (2.19) Tegangan kawat-kawat sekunder sebanding dengan tegangan phasa V rs = V ΦS... (2.20) Maka perbandingan tegangan pada hubungan ini : V V RS rs 3V P V S 3a... (2.21) C. Hubungan Delta-Wye (Δ Y) Umumnya digunakan untuk menurunkan tegangan dari tegangan transmisi ke tegangan rendah[2]. Hubungan Δ Y pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 2.18. 24
Gambar 2.18 Hubungan transformator Δ Y Tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer V RS = V ΦP... (2.22) Tegangan kawat-kawat sekunder sebanding dengan tegangan phasa V rs = 3 V ΦS... (2.23) Maka perbandingan tegangan pada hubungan ini : V V RS rs V P 3V S a 3... (2.24) 25
D. Hubungan Delta Delta ( Δ Δ ) Gambaran hubungan ini dapat dilihat pada Gambar 2.19. Gambar 2.19 Hubungan transformator Δ Δ Pada hubungan ini diperoleh : V RS = V ST = V RT = V LN Maka : V L-L = V L-N... (2.23) V RS = V ST = V RT... (2.24) Dimana : V L-L = Tegangan line to line V L-N = Tegangan line to netral Arus pada transfomator tiga phasa hubungan delta : 26
I L = 3 I P... (2.25) Dimana : I L = Arus line I P = Arus phasa 27