BAB II TRANSFORMATOR II. Umum Transformator merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, 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. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar 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 jatuh tegangan yang terjadi pada saluran, dengan cara mempergunakan transformator untuk menaikkan tegangan listrik di pusat listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 k sampai 0 k pada awal transmisi ke tegangan saluran transmisi antara 00 k sampai 000 k,
kemudian menurunkannya lagi pada ujung akhir saluran ke tegangan yang lebih rendah. Transformator yang dipakai pada jaringan tenaga listrik merupakan trafo tenaga, trafo daya dan trafo distribusi. 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 umum. Atau transformator yang lebih kecil, yang dipakai pada lampu TL. Atau, lebih kecil lagi, transformator transformator mini yang dipergunakan pada berbagai alat elektronik, seperti pesawat penerima radio, televisi, dan lain sebagainya. II. Konstruksi Transformator Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus bahasan disini adalah transformator daya. 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. 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 ditunjukkan pada Gambar..
Gambar.. Konstruksi transformator tipe inti ( core type ) Sedangkan konstruksi intinya umumnya bebrbentuk huruf L atau huruf U. ( Gambar.. ) Gambar.. Konstruksi lempengan logam inti transformator bentul L dan U 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 transformator dikelilingi oleh inti
Gambar.3. Transformator tipe cangkang ( shell type ) Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F ( 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 di gunakan 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. Gambar.5 Prinsip kerja transformator 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 pada rangkaian sekunder diberikan beban, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ). dφ e = (-) N (volt).....(. ) dt Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] N = jumlah lilitan dφ dt = 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 mengalirkan 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 menimbulkan arus primer I 0 yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan N reaktif murni. I 0 akan tertinggal 90 0 dari. Arus primer I 0 menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid
Ф = Фmax sin ωt... (.) Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan. Induksi е ( Hukum Faraday ) dφ e = -N dt e = -N dφ max dt sin ωt e = - N ω Фmax cosωt (volt)...(.3) Dimana : e = Gaya gerak listrik induksi N = Jumlah belitan di sisi primer ω = Kecepatan sudut putar Φ = Fluks magnet Harga efektif : E E = = - N ωφ - N max πfφ max E = 4, 44 N f Фmax (volt)...(.4) Dimana : E = Gaya geraqk listrik induksi (efektif) N = Jumlah belitan di sisi primer f = Frekuensi Φ = Fluks magnet Bila rugi tahanan dan adanya fluksi adanya fluksi bocor di abaikan akan terdapat hubungan
E E = = N N = a... (.5) Dimana : E = GGL induksi di sisi primer (volt) E = GGL induksi di sisi sekunder (volt) = Tegangan terminal di sisi primer (volt) = Tegangan terminal di sisi sekunder (volt) N = Jumlah belitan di sisi primer N = Jumlah belitan di sisi sekunder a = Faktor transformasi II.3. Keadaan Berbeban Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban Z L, I mengalir pada kumparan sekunder, dimana I = / Z L dengan θ = faktor kerja beban I I 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.
I' I0 I Gambar.7 Pergerakan Fluks Didalam Inti Transformator 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 = I 0 + I ' (ampere)...(.6) II.4 Rangkaian Ekivalen Transformator Tidak seluruh Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im merupakan Fluks Bersama ( Ф M ), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer ( Ф ) atau sekunder saja ( Ф ) dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja satu 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.
x I R X I' x I R X I0 AC Im Ic Z Xm Rc N N Gambar..8 Rangkaian ekivalen sebuah transformator. Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a, dimana a = E /E. Sekarang model rangkaian menjadi sebagai terlihat pada gambar berikut. I R X I' x a x a R a X I0 AC Im Ic a Z a Xm Rc Gambar.9a Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator Untuk selanjutanya, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti gambar dibawah ini.
I I' R x X a x a R a X I0 AC Im Ic a Z a Xm Rc Gambar.9b Parameter Sekunder pada Rangkaian Primer Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut : R ek = R + a R (ohm)...(.7) X ek = X + a X (ohm)...(.8) I I' Rek x ek Xek I0 AC Im Ic a Z a Xm Rc Gambar.9c Hasil Akhir Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen 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 di hubungkan dengan sumber tegangan, maka hanya I 0 yang mengalir dari pengukuran daya yang masuk ( P ). P A Gambar.0 Pengukuran Beban Nol Arus I 0 dan tegangan akan diperoleh harga Rc = (ohm)...(.9) P jx R m c Z 0 = = (ohm)... (.0) P R c + jx m Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm II.4. Pengukuran hubung singkat Hubungan singkat berarti impedansi beban Z L diperkecil menjadi nol, sehingga hanya impedansi Z ek = R ek + j X ek yang membatasi arus. Karena harga R ek dan X ek ini relatif kecil, harus dijaga agar tegangan masuk ( hs ) cukup kecil,
sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga I 0 akan relatif kecil bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan. P A A Gambar. Pengukuran Hubung Singkat parameter : Dengan mengukur tegangan hs, arus I hs dan daya P hs, akan dapat dihitung R ek P = ( I hs hs ) (ohm)...(.) hs Z ek = = R ek + jx ek (ohm)...(.) I hs X = Z R (ohm)...(.3) ek ek ek II.5 Rugi Rugi Dan Efisiensi I.5. Rugi tembaga ( P cu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut : P cu = I R (watt)... (.4) 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 ( P i ) Rugi besi terdiri atas : Rugi histerisis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai : P h = k h f Bmaks.6 ( watt )... (.5) K h = konstanta Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Rugi arus eddy, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai : P e = k e f B maks... (.6) K e = Konstanta Bmaks = Fluks maksimum (weber) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah : P i = P h + P e... (.7)
II.5.3 Efisiensi Efisiensi dinyatakan sebagai : η = P P out in Pout η =... (.8) P + Σrugi out dimana : P in = Daya input transformator P out = Daya output transformator rugi = Pcu + Pi