BAB I

BAB II
TRANSFORMATOR
II.1
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 I2R (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 kV sampai 20 kV pada
awal transmisi ke tegangan saluran transmisi antara 100 kV sampai 1000 kV,
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.2
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 2.1.
Gambar 2.1. Konstruksi transformator tipe inti ( core type )
Sedangkan konstruksi intinya umumnya bebrbentuk huruf L atau huruf U.
( Gambar 2.2. )
Gambar. 2.2 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 2.3. Transformator tipe cangkang ( shell type )
Sedangkan konstruksi intinya umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf
F ( Gambar. 2.4 ).
Gambar. 2.4. 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 2.5 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 ).
e = (-) N
dφ
dt
Dimana :
(volt)....………………………………..( 2.1 )
e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ]
N = jumlah lilitan
dφ
= 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 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.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber
tegangan V1 yang sinusoidal, akan menimbulkan arus primer I0 yang juga sinusoid
dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni. I0 akan tertinggal 900 dari V1. Arus
primer I0 menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid
Ф = Фmax sin ωt ................................................................... (2.2)
Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan. Induksi е1 ( Hukum Faraday )
e1 = -N1
dΦ
dt
e1 = -N1
dΦ max sin ωt
dt
e1 = - N1 ω Фmax cosωt (volt)................................................(2.3)
Dimana : e1 = Gaya gerak listrik induksi
N1 = Jumlah belitan di sisi primer
ω = Kecepatan sudut putar
Φ = Fluks magnet
Harga efektif :
E1 =
E1 =
- N 1ωΦ max
2
- N 1 2 πfΦ max
2
E1 = 4, 44 N1 f Фmax (volt)....................................................(2.4)
Dimana : E1 = Gaya geraqk listrik induksi (efektif)
N1 = 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 1 V1 N1
=
=
= a .............................................................. (2.5)
E 2 V2 N 2
Dimana : E1 = GGL induksi di sisi primer (volt)
E2 = GGL induksi di sisi sekunder (volt)
V1 = Tegangan terminal di sisi primer (volt)
V2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (volt)
N1 = Jumlah belitan di sisi primer
N2 = Jumlah belitan di sisi sekunder
a
= Faktor transformasi
II.3.2 Keadaan Berbeban
Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir pada
kumparan sekunder, dimana I2 = V2 / ZL dengan θ2 = faktor kerja beban
I1
I2
V
Gambar 2.6 Transformator dalam keadaan berbeban.
Arus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet ( ggm ) N2 I2 yang
cenderung menentang fluks ( Ф ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan Im.
I2' I0
I2
V
Gambar 2.7 Pergerakan Fluks Didalam Inti Transformator
Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus
mengalir arus I2’, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2, hingga
keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi :
I1 = I0 + I2' (ampere)..............................................................(2.6)
II.4
Rangkaian Ekivalen Transformator
Tidak seluruh Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im merupakan
Fluks Bersama ( ФM ), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer ( Ф1 ) atau
sekunder saja ( Ф2 ) dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk
menganalisis kerja satu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dengan mengalami
proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X1 dan fluks bocor Ф2 dengan
mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X2 sedang rugi
tahanan ditunjukan dengan R1 dan R2, dengan demikian model rangkaian dapat
dituliskan seperti gambar.
x1
R1
I1
X1
I2'
I2
x2
X2
R2
I0
Im
AC
Z
Ic
Xm
Rc
N1 N2
Gambar.2.8 Rangkaian ekivalen sebuah transformator.
Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer,
harganya perlu dikalikan dengan faktor a2, dimana a = E1/E2. Sekarang model
rangkaian menjadi sebagai terlihat pada gambar berikut.
x1
I1
R1
X1
a2R2
I2 '
a2x2
a2X2
I0
Im
AC
Ic
Xm
a2Z
aV2
Rc
Gambar 2.9a Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator
Untuk selanjutanya, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti
gambar dibawah ini.
x1
I2'
I1
R1
X1
a22x2
a2R2
a X2
I0
Im
AC
a2Z
Ic
Xm
aV2
Rc
Gambar 2.9b Parameter Sekunder pada Rangkaian Primer
Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut :
Rek = R1 + a2R2 (ohm)...................................................................(2.7)
Xek = X1 + a2X2 (ohm)..................................................................(2.8)
I2'
I1
Rek
xek
Xek
I0
AC
Im
Ic
Xm
a2Z
aV2
Rc
Gambar 2.9c Hasil Akhir Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator
Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian ( rangkaian
ekivalen) Rc, Xm, Rek dan Xek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam
pengukuran ( test ) yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.
II.4.1 Pengukuran beban nol
Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer di hubungkan dengan
sumber tegangan V1, maka hanya I0 yang mengalir dari pengukuran daya yang masuk
( P1).
P
A
V
V
Gambar 2.10 Pengukuran Beban Nol
Arus I0 dan tegangan V1 akan diperoleh harga
2
Rc =
V1
P1
Z0 =
jX m R c
V1
(ohm)...................................................... (2.10)
=
P1 R c + jX m
(ohm)......................................................................(2.9)
Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm
II.4.2 Pengukuran hubung singkat
Hubungan singkat berarti impedansi beban ZL 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 I0 akan relatif kecil
bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat
diabaikan.
P
A
V
A
Gambar 2.11 Pengukuran Hubung Singkat
Dengan mengukur tegangan Vhs, arus Ihs dan daya Phs, akan dapat dihitung
parameter :
R ek =
Phs
(ohm).............................................................(2.11)
( I hs ) 2
Z ek =
Vhs
= R ek + jX ek (ohm) .............................................(2.12)
I hs
X ek = Z 2 ek
II.5
R 2 ek (ohm) ...................................................(2.13)
Rugi – Rugi Dan Efisiensi
1I.5.1 Rugi tembaga ( Pcu )
Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai
berikut :
Pcu = I2 R (watt)...................................................................... (2.14)
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.5.2 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 Bmaks1.6 ( watt ) ...................................... (2.15)
Kh
= konstanta
Bmaks = Fluks maksimum ( weber )
•
Rugi arus eddy , yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.
Dirumuskan sebagai :
Pe = ke f2 B2maks ..................................................... (2.16)
Ke
= Konstanta
Bmaks = Fluks maksimum (weber)
Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah :
Pi = Ph + Pe .............................................................. (2.17)
II.5.3 Efisiensi
Efisiensi dinyatakan sebagai :
η=
Pout
Pin
η=
Pout
............................................................ (2.18)
Pout + Σrugi 2
dimana : Pin = Daya input transformator
Pout = Daya output transformator
∑ rugi = Pcu + Pi