BAB II TRANSFORMATOR TENAGA

BAB II
TRANSFORMATOR TENAGA
2.1
Pengertian
Transformator adalah 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 elektromanetik. Pada penyaluran tenaga listrik terjadi kerugian energi
sebesar I2R watt. Kerugian ini banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan.
Dengan
demikian
maka
saluran-saluran
transmisi
tenaga
senantiasa
mempergunakan tegangan tinggi.
Tegangan transmisi yang tertinggi di Indonesia pada saat ini adalah
500kV. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi
pada saluran. Dengan menaikkan tegangan output generator di pusat listrik,
kemudian diturunkan diujung akhir saluran ke
tegangan yang lebih rendah,
dilakukan dengan transformator.
Transformator dapat dibagi menurut fungsi/pemakaian, sebagai berikut:

Transformator Tenaga (pembangkit)

Transformator gardu induk

Transformator distribusi
5
Penggunaan transformator pada sistem penyaluran tenaga listrik dapat dibagi:
a. Transformator penaik tegangan (Step up) atau disebut tranasformator daya
atau tenaga, untuk menaikkan tegangan pembangkit menjadi tegangan
transmisi.
b. Transformator penurun tegangan (Step down), dapat disebut transformator
distribusi, untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan distribusi.
c. Transformator instrument, untuk pengukuran yang terdiri dari transformator
tegangan (PT) dan transformator arus (CT), berfungsi menurunkan tegangan
dan arus agar dapat masuk ke meter-meter pengukuran.
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.1 yang menunjukan kontruksi sederhana
sebuah transformator:
Gambar 2.1 Konstruksi dari transformator
a. Bagian utama
 Inti besi
 Kumparan transformator
Sedangkan rangkaian dasar transformator ditunjukkan pada Gambar 2.2
I1
AC
U1
I2
Np
Ns
U2
B
e
b
a
n
Gambar 2.2 Bagan rangkaian transformator
6
Keterangan:
U1= tegangan sumber
U2= tegangan beban
Np= jumlah lilitan kumparan primer
Ns= jumlah lilitan kumparan sekunder
I1= arus primer
I2= arus sekunder
ep= GGL induksi pada kumparan primer
es= GGL induksi pada kumparan sekunder.
b. Peralatan Bantu
 Pendingin
 Tap changer
 Alat pernapasan (dehydrating breather)
 Indikator-indikator : Thermometer, permukaan minyak
c. Peralatan Proteksi
 Rele Bucholz
 Pengaman tekanan lebih (explosive membrane)
 Rele tekanan lebih (sudden pressure relay)
 Rele pengaman tangki
 Rele differensial (differential relay)
 Rele arus lebih (over current relay)
 Rele hubung tanah (ground fault relay)
 Rele thermis (thermal relay)
 Arrester
7
2.2
Tranformator Tenaga
Tranformator tenaga atau daya adalah suatu peralatan listrik yang
berfungsi untuk menyalurkan daya listrik dari generator bertegangan menengah ke
transmisi bertegangan tinggi dan untuk menyalurkan daya dari transmisi
bertegangan tinggi ke jaringan distribusi bertegangan rendah. Konstruksi umum
dari transformator daya ditunjukkan pada Gambar 2.3
(a)
(b)
Gambar 2.3 Konstruksi Transformator Tenaga
(a) Transformator Kumparan Piring
(b) Transformator Kumparan Silinder
Keterangan :
1) Kumparan tegangan tinggi
2) Kumparan tegangan rendah
3) Inti besi
4) Minyak isolasi
5) Tanki baja
6) Bushing tegangan tinggi
7) Bushing tegangan rendah
8
Pada Gambar 2.3 bagian utama dari transformator adalah inti, dua set
kumparan atau lebih dan isolasi. Inti transformator yang terbuat dari lembaranlembaran baja silikon yang satu dengan lainnya diisolasi dengan pernis.
Kumparan terbuat dari bahan tembaga yang dihubungkan dengan sumber energi
disebut kumparan
primer, sedang yang dihubungkan dengan beban disebut
kumparan sekunder.
2.3
Bagian Utama Transformator Tenaga
Transformator tenaga terdiri atas beberapa bagian utama yang memliki
fungsi penting. Berikut merupakan bagian utama dari transformator tenaga beserta
fungsinya masing-masing:
1. Inti Besi
Berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik
yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang
berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan
oleh Eddy Current.
Gambar 2.4 Inti Besi Transformator Tenaga
9
Inti transformator dibentuk dari lapisan lembaran pelat besi silikon yang
memiliki lapisan isolasi sangat tipis pada salah satu sisinya, yang tahan
terhadap panas tinggi serta mempunyai koefisien penyebaran panas yang
rendah, dengan ketebalan yang sangat tipis untuk dapat menekan rugi-rugi inti
yang semakin kecil. Disusun sedemikian rupa sehingga membentuk suatu
luasan inti magnetis yang kokoh serta efisien. Inti besi pada transformator
tenaga dapat dilihat pada Gambar 2.4
2. Kumparan Transformator
Adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan.
Kumparan tersebut terdiri dari kumparan primer dan kumparan sekunder yang
diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan
isolasi padat seperti karton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai
alat transformasi tegangan dan arus. Kumparan transformator dapat dilihat
pada Gambar 2.5
Gambar 2.5 Kumparan Transformator Tenaga
3. Minyak Transformator
Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti transformator tenaga direndam
dalam minyak transformator, terutama transformator tenaga yang berkapasitas
10
besar, karena minyak transformator mempunyai sifat sebagai isolasi dan
media pemindah panas, sehingga minyak transformator tersebut berfungsi
sebagai media pendingin dan isolasi.
Di dalam sebuah transformator terdapat dua komponen yang secara aktif
menghasilkan energi panas, yaitu besi (inti) dan tembaga (kumparan). Bila
energi panas tidak disalurkan melalui suatu sistem pendinginan akan
mengakibatkan besi maupun tembaga akan mencapai suhu yang tinggi, yang
akan merusak nilai isolasinya. Sebagai maksud untuk pendinginan, kumparan
dan inti dimasukkan ke dalam suatu jenis minyak, yang dinamakan minyak
transformator. Minyak tersebut mempunyai fungsi ganda, yaitu pendinginan
dan isolasi. Perlu dikemukakan bahwa minyak transformator harus memiliki
mutu yang tinggi dan senantiasa berada dalam keadaan bersih. Disebabkan
energi panas yang dibangkitkan dari inti maupun kumparan, maka suhu
minyak akan naik. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya perubahanperubahan pada minyak transformator. Dalam jangka waktu yang lama akan
terbentuk berbagai pengotoran yang akan menurunkan mutu minyak
transformator. Hal-hal ini dapat mengakibatkan kemampuan pendinginan
maupun isolasi minyak akan menurun. Selanjutnya dapat pula terjadi bahwa
suhu yang lembab sebagaimana halnya terjadi di daerah tropis, mengakibatkan
masuknya air didalam minyak transformator.
Bila suhu minyak transformator yang sedang dioperasikan diukur, akan
tampak bahwa suhu minyak itu akan tergantung pada tinggi pengukuran pada
bak. Suhu tertinggi akan ditemukan pada sekitar 70-80% tinggi bejana.
11
Minyak transformator sebagai bahan isolasi sekaligus sebagai media
penghantar panas memiliki karakteristik sebagai berikut:

Berat jenis (specific grafitty) 0,85 sampai 0,90 pada suhu 13,5º C

Kekentalan (viscocity) cukup rendah untuk memperlancar sirkulasi

dari bagian yang panas ke bagian yang dingin, yaitu 100 sampai

110 Saybolts second pada 40º C

Titik didih tidak kurang dari 135º C

Titik beku tidak lebih dari -45º C

Tegangan tembus tidak kurang dari 30 kV per 2,5 mm atau 120 kV/1 cm.

Koefisien muai 0,00065 per 1º C

Titik api (flash point) 180º C sampai 190º C

Titik nyala (burning point) 205º C

Kelembaban terhadap uap air (moisture) nihil
4. Bushing
Hubungan antara kumparan transformator ke jaringan luar melalui sebuah
bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator. Gambar 2.6
merupakan bentuk bushing transformator tenaga
Gambar 2.6 Bushing Transformator Tenaga
12
Bushing berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki
transformator.
5. Tangki Konservator
Pada umumnya bagian-bagian dari transformator yang terendam minyak
transformator berada dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak
transformator, tangki dilengkapi dengan konservator. Konstruksi dari tangki
konservator dapat dilihat pada Gambar 2.7
Gambar 2.7 Tangki Konservator dan Level Indikator
2.4
Peralatan Bantu Transformator Tenaga
Peralatan bantu pada transformator tenaga berfungsi untuk mendukung
kerja dari peralatan utama sehingga dalam beroperasi transformator dapat
maksimal, berikut perlatan bantu yang digunakan di transformator tenaga:
1. Pendingin
Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi
dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan
temperatur yang berlebihan, akan merusak isolasi di dalam transformator.
Maka untuk mengurangi kenaikan temperatur transformator yang berlebihan
13
perlu dilengkapi dengan alat/sistem pendingin untuk menyalurkan panas
keluar transformator.
a. Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa:
b. Udara/gas
c. Minyak
d. Air
e. Dan lain sebagainya
Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara:
a. Alamiah (natural)
b. Tekanan/paksaan
Pada proses alamiah (natural), pengaliran media sebagai akibat adanya
perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media
tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas
antara media (minyak, udara dan gas), dengan cara melengkapi transformator
dengan sirip-sirip (radiator).
Tabel 2.1 Jenis Sistem Pendingin Transformator
14
Jika diinginkan penyaluran panas yang lebih cepat, cara natural/alamiah
tersebut dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi
media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air, cara
ini disebut pendingin paksa (forced).
Sistem pendingin transformator berdasarkan media dan cara pengalirannya
dapat diklasifikasikan seperti pada Tabel 2.1.
2. Perubah Tap (Tap Changer)
Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk
mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari
tegangan jaringan/primer yang berubah-ubah. Tap changer yang hanya bisa
beroperasi
untuk
memindahkan
tap
transformator
dalam
keadaan
transformator tidak berbeban disebut “off load tap changer” dan hanya dapat
dioperasikan manual.
Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap transformator,
dalam keadaan transformator berbeban disebut “on load tap changer” dan
dapat dioperasikan secara manual atau otomatis.
Untuk memenuhi kualitas tegangan pelayanan sesuai kebutuhan konsumen,
tegangan keluaran (sekunder) transformator harus dapat dirubah sesuai
keinginan. Untuk memenuhi hal tersebut, maka pada salah satu atau pada
kedua sisi belitan transformator dibuat tap (penyadap) untuk merubah
perbandingan transformasi (rasio) transformator.
15
Ada dua cara kerja tap changer:
1. Mengubah tap dalam keadaan transformator tanpa beban
2. Mengubah tap dalam keadaan transformator berbeban (On Load Tap Changer
/ OLTC)
Transformator yang terpasang di gardu induk pada umumnya menggunakan
tap changer yang dapat dioperasikan dalam keadaan transformator berbeban
dan dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di
pembangkit atau pada transformator dengan kapasitas kecil, umumnya
menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat transformator
tenaga tanpa beban.
On Load Tap Changer/OLTC terdiri dari :
1. Selector switch,
2. Diverter switch, dan
3. Transisi resistor.
Untuk mengisolasi dari bodi transformator (tanah) dan meredam panas pada
saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam di dalam minyak isolasi
yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama transformator (ada
beberapa transformator yang ruangannya menjadi satu dengan main tank).
Karena pada proses perpindahan hubungan tap di dalam minyak terjadi
fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, maka minyak isolasi OLTC
kualitasnya akan cepat menurun. tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya
kelainan di dalam OLTC.
16
3. Alat Pernapasan (Silicagel)
Karena pengaruh naik turunnya beban transformator maupun temperatur udara
luar, maka temperatur minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan
tersebut. Jika suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara
di atas permukaan minyak keluar dari tangki, sebaliknya apabila temperatur
minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam
tangki. Kedua proses tersebut dinamakan pernapasan transformator.
Gambar 2.8 Alat Pernapasan (Silicagel) Transformator
Akibat pernapasan transformator tersebut maka permukaan minyak akan
selalu bersinggungan dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan
menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka untuk
mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi
dengan alat pernapasan, berupa tabung berisi kristal zat hygroskopis. Gambar
2.8 merupakan alat pernapasan (silicagel) pada transformator tenaga.
17
4. Indikator
Untuk mengamati kondisi transformator selama beroperasi, maka diperlukan
indikator kerja pada transformator, sebagai berikut:

Indikator suhu minyak

Indikator permukaan minyak

Indikator suhu belitan

Indikator kedudukan tap, dan sebagainya
2.5
Peralatan Proteksi
Peralatan proteksi atau pengaman pada transformator tenaga berperan
penting untuk melindungi transformator dari gangguan yang timbul dari dalam
sistem transformator atau gangguan yang timbul dari luar transformator. Berikut
peralatan proteksi yang digunakan pada transformator tenaga:
1. Rele Buchloz
Rele Bucholz adalah alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap
gangguan di dalam transformator yang menimbulkan gas. Gas yang timbul
diakibatkan oleh:

Hubung singkat antar lilitan (dalam fasa)

Hubung singkat antar fasa

Hubung singkat antar fasa ke tanah

Busur api listrik antar laminasi

Busur api listrik karena kontak yang kurang baik
18
2. Pengaman Tekanan Lebih (Explosive Membrane)
Alat ini berupa membrane yang dibuat dari kaca, plastik, tembaga atau katup
berpegas, berfungsi sebagai pengaman tangki transformator terhadap kenaikan
tekanan gas yang timbul di dalam tangki (yang akan pecah pada tekanan
tertentu) dan kekuatannya lebih rendah dari kekuatan tangki transformator.
3. Rele Tekanan Lebih (Sudden Pressure Relay)
Rele ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni pengaman terhadap
gangguan di dalam transformator. Bedanya rele ini hanya bekerja oleh
kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung menjatuhkan PMT.
4. Rele Pengaman Tangki
Berfungsi untuk mengamankan transformator bila ada hubung singkat antara
bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada
transformator.
5. Rele Differensial (Differential Relay)
Berfungsi mengamankan transformator dari gangguan di dalam transformator
antara lain, flash over antara kumparan dengan kumparan atau kumparan
dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun beda
kumparan.
6. Rele Arus Lebih (Over Current Relay)
Berfungsi mengamankan transformator dari arus yang melebihi dari arus yang
telah diperkenankan lewat dari transformator tersebut dan arus lebih ini dapat
terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat.
19
7. Rele Hubung Tanah (Ground Fault Relay)
Berfungsi untuk mengamankan transformator bila terjadi gangguan satu fasa
ke tanah.
8. Rele Thermis (Thermal Relay)
Berfungsi untuk mencegah/mengamankan transformator dari kerusakan isolasi
kumparan, akibat
ada panas lebih yang ditimbulkan akibat arus lebih.
Besarnya yang diukur di dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.
9. Arrester
Fungsi arrester sebagai pengaman surja petir yaitu dengan mengalirkan surja
petir ketanah. Dalam keadaan normal arrester bersifat sebagai isolator dan
padasaat timbul tegangan lebih yang melebihi nominl arrester maka akan
berubah menjadi konduktor dalam waktu singkat sehingga arus kilat mengalir
ke tanah.
2.6
Pengertian Daya
Daya dalam tegangan AC pada setiap saat sama dengan perkalian dari
harga arus dan tegangan pada saat itu. Jika arus dan tegangan bolak-balik satu
fasa, maka daya dalam satu periode sama dengan perkalian dari arus dan
tegangan efektif. Tapi jika ada reaktansi dalam rangkaian arus dan tegangan
tidak satu fasa sehingga selama siklusnya bisa terjadi arus negatif dan
tegangan positif. Secara teoritis daya terdiri dari tiga yaitu daya efektif, daya
reaktif dan daya semu yang pengertiannya adalah sebagai berikut :
1. Daya efektif (P) adalah daya yang diubah menjadi energi, persatuan
waktu atau dengan kata lain daya aktif adalah daya yang benar-benar
20
dipakai yang dihasilkan oleh komponen resistif, satuannya adalah Watt (W).
2. Daya reaktif (Q) adalah daya yang ditimbulkan oleh komponen daya
reaktif yang ditentukan dari reaktansi yang menimbulkannya daya
berupa reaktansi induktif (XL) atau reaktansi kapasitif (XC), satuannya
adalah Volt Ampere Reaktif (VAR).
3. Daya semu (S) adalah jumlah secara vektoris daya aktif dan daya
reaktif yang memiliki satuan Volt Ampere (VA).
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar sistem segitiga daya berikut ini:
Gambar 2.9 Sistem Segitiga Daya
Untuk daya 3 phasa didapat :
P = √3.V.I cos μ
............................................... (2.1)
S = √3.V.I
............................................... (2.2)
Q = √3.V.I sin μ
............................................... (2.3)
Dimana :
P = Daya nyata (Watt)
S = Daya semu (VA)
Q = Daya reaktif (VAR)
21
2.7
Prinsip Kerja Transformator
Transformator terdiri dari duah buah kumparan (primer dan sekunder)
yang bersifat induktif, yang 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 bolak – balik akan muncul di dalam inti (core) yang di
laminasi, 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 (mutual
induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder,
serta arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik
dapat ditransfer secara keseluruhan.
Gambar 2.10 skema prinsip transformator dengan kumparan-kumparan primer
dan sekunder serta rangkaian magnetic
22
2.7.1
Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber
tegangan V1 yang sinusoid, akan mengalirkan arus primer Io yang juga
sinusoid dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni , Io akan tinggal
90o dari V1 (gambar 2.11b). Arus Primer Io menimbulkan fluks yang sephasa
dan juga berbentuk sinusoid.
Φ = Φmaks sin ωt
......................................... (2.4)
Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi e1 (Hukum
Farraday)
(a)
(b)
Gambar 2.11 (a) Keadaan transformator tanpa beban
(b) Arah fluks transformator tanpa beban
e1 = -N1 d∅
dt
....................................... (2.5)
e1 = -N1 d (∅ maks sin wt)
dt
= -N1w∅maks cos wt
23
Harga efektifnya
E1 =
𝑁12𝜋𝑓∅𝑚𝑎𝑘𝑠
√2
= 4.44 N1f Φmaks
...................................... (2.6)
Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan :
e2= -N2 𝑑∅
𝑑𝑡
e2= -N2 w ∅maks cos wt
E2 = 4.44N2fΦmaks
............................................... (2.7)
Sehingga
𝐸1
𝐸2
=
𝑁1
............................................... (2.8)
𝑁2
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor,
𝐸1
𝐸2
=
𝑉1
𝑉2
=
𝑁1
𝑁2
=a
......................................... (2.9)
a = perbandingan transformasi
Dalam hal ini tegangan induksi E1 mempunyai kebesaran yang sama tetapi
berlawanan arah dengan tegangan sumber V1.
24
2.7.2
Keadaan Transformator berbeban
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z L , I 2
mengalir pada kumparan sekunder, dimana I2 = V2/ZL dengan θ2 = Faktor
kerja beban.
Gambar 2.12 Keadaan transformator berbeban
Arus beban I2 ini menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2I2 yang
cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus
pemagnetan IM. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan
primer harus mengalir arus I’2, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh
arus beban I2,
sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi:
I1 = Io + I’2
............................................... (2.10)
Bila rugi diabaikan (Ic diabaikan) maka Io=IM
I1= IM + I’2
Untuk
menjaga
............................................... (2.11)
agar
fluks
tetap
tidak
berubah
sebesar
ggm
yang
dihasilkan oleh arus pemagnetan IM saja, berlaku hubungan :
N1 IM= N1 I1 - N2 I2
............................................... (2.12)
N1IM= N1(IM+I’2) – N2I2
25
Hingga
N1I’2 = N2I2
............................................... (2.13)
Karena nilai IM dianggap kecil maka I’2 = I1
Jadi ,
N1I1 = N2I2 atau I1/I2 = N2/N1
2.8
............................................... (2.14)
Rangkaian Ekivalen Transformator
Untuk memudahkan perhitungan dari suatu transformator salah satu
bagian disesuaikan dengan bagian lainnya. Bagian primer disesuaikan dengan
bagian sekunder atau sebaliknya bagian sekunder disesuaikan dengan bagian
primer, dengan demikian rangkaian primer dan rangkaian sekunder dapat
digambarkan menjadi suatu rangkaian yang dinamakan ekivalen (pengganti).
Tidak seluruh fluks (∅) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM
merupakan fluks bersamaan (∅M), sebagian daripadanya hanya mencakup
kumparan primer (∅1) atau kumparan sekunder saja (∅2). Dalam model
rangkaian (rangkaian ekivalen ) yang dipakai untuk menganalisa kerja suatu
transformator, adanya fluks bocor ∅1 dan ∅2 ditunjukkan sebagai reaktansi X1
dan X2. Sedangkan rugi tahanan ditunjukkan dengan R1 dan R2. dengan
demikian ’model’ rangkaian dapat gambar seperti berikut:
26
Gambar 2.13 rangkaian ekivalen transformator
Dari rangkaian di atas dapat dibuat vektor diagramnya sebagai berikut:
Gambar 2.14 diagram vektor rangkaian ekivalen transformator
Dari
model
rangkaian
diatas
dapat
juga
diketahui
hubungan
penjumlahan Vektor:
V1 = E1 + I1R1 + I1X1
............................................... (2.15)
E2 = V2 + I1R1 + I2X2
............................................... (2.16)
E1/E2 = N1/N2 = a atau E1 = aE2
Hingga :
E1 = a ( I2ZL + I2R2 + I2X2 )
Karena
I'2/I2 = N2/N1 = 1/a atau I2 = aI'2
27
Maka :
E1 = a2 I’2ZL + a2 I’2R2 + a2 I’2X2
Dan,
V1 = a2 I’2ZL + a2 I’2R2 + a2 I’2X2 + I1R1 + I1X1
........................(2.17)
Persamaan terakhir mengandung pengertian, apabila parameter rangkaian
sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer harganya perlu dikalikan
dengan factor a2. Sekarang model rangkaian menjadi sebagai terlihat pada
gambar 2.8
Gambar 2.15 rangkaian ekivalen transformator
Untuk memudahkan analisis (perhitungan), model rangkaian tersebut dapat
diubah menjadi rangkaian seperti berikut :
Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen transformator
28
Gambar 2.17 Diagram vektor rangkaian ekivalen transformator
2.9
Rugi – Rugi Transformator
Rugi-rugi daya transformator berupa rugi inti atau rugi besi dan rugi
tembaga yang terdapat pada kumparan primer maupun kumparan sekunder.
Untuk
mengurangi
rugi-rugi
besi
haruslah
diambil
inti
besi
yang
penampangnya cukup besar agar fluks magnit mudah mengalir didalamnya.
Untuk memperkecil rugi-rugi tembaga, harus diambil kawat tembaga yang
penampangnya cukup besar untuk mengalirkan arus listrik yang diperlukan.
Rugi inti terdiri dari rugi arus eddy dan rugi histerisis. Rugi arus eddy timbul
akibat adanya arus pusar pada inti yang dapat menghasilkan panas. Adapun
arus pusar inti ditentukan oleh tegangan induksi pada inti yang menghasilkan
perubahan-perubahan fluks magnit.
29
2.9.1 Rugi – Rugi Tanpa Beban
Rugi – Rugi tanpa beban mengangkut baik rugi-rugi histerisis dan rugirugi arus pusar. Karena fluks di dalam inti praktis dan konstan untuk keadaan
semua beban. Rugi – rugi ini dapat dikurangi dengan mempergunakan
besi magnetic dengan kadar silicon yang tinggi dan memakai laminasilaminasi yang tipis.
2.9.1.1 Rugi Histeris
Rugi histerisis terjadi apabila inti besi mendapat fluksi bolak-balik, Rugi
histerisis per sycle berbanding dengan luas histerisis loop. Rugi histerisis
dinyatakan dalam
Ph = Kh.f.bmaks
............................................... (2.18)
Dimana :
Bmaks = rapat fluksi maksimum (tesla) Kh = konstanta histerisis
2.9.1.2 Rugi arus pusar ( eddy current )
Rugi arus pusar disebabkan adanya arus yang terinduksi di inti. Pada
dasarya induksi tegangan di inti besi ini sama seperti transformator (dapat
dianggap bahwa setiap lempengan inti besi adalah sekunder yang terhubung
singkat) Impedansi yang dialiri arus listrik dapat dianggap konstan untuk
laminasi yang tipis dan tak tergantung dari frekuensi, untuk frekuensi rendah
atau power frekuensi, jadi rugi arus pusar dapat dirumuskan sebagai berikut:
Pe = K2e.f2.Bmaks
............................................... (2.19)
30
dimana :
Ke = konstanta eddy current
Dari persamaan rugi-rugi transformator tanpa beban dapat diketahui besarnya
total rugi inti (besi).
Pinti total = Ph+Pe
= ( Kh.f.Bm2)+ Ke.f2.Bm2
.................................. (2.20)
2.9.2 Rugi – Rugi dalam keadaan berbeban
Rugi-rugi yang terjadi pada transformator berbeban dasarnya selalu
berubah-ubah, hal ini tergantung pada arus beban yang mengalir pada
tahanan
transformator.
Sehingga
rugi
transformator
dalam
keadaan
berbeban merupakan perkalian kwadrat arus dengan tahanan transformator,
Yang dikenal sebagai rugi tembaga (Pcu), Rugi tembaga kumparan primer dan
kumparan sekunder berturut- turut adalah :
Pcu = I12R1
............................................... (2.21)
Pcu = I22R2
............................................... (2.22)
Dengan demikian rugi tembaga total :
Pcu = Pcu1+ Pcu2
= I12R1 + I22R2
............................................... (2.23)
Karena I2 = a I1, maka persamaan dapat juga ditulis dengan
Pcu = I12R1 +(aI1)2 R2
= I12(R1 + a2R2)
= I12 Rek1
31
atau dapat ditulis
Pcu = I22 Rek2
............................................... (2.24)
Jumlah total rugi-rugi pada transformator adalah :
Prugi total = Rugi-rugi Cu + Rugi inti
Karena
arus
berubah
ubah,
............................................... (2.25)
maka
rugi
tembaga
tidak
konstan
tergantung pada beban. Besarnya rugi-rugi tembaga pada setiap perubahan
beban dapat ditentukan dengan persamaan :
𝑆2
Pt2 = (𝑆1)2 x Pt1
............................................... (2.26)
Keterangan :
Pt2 = Rugi-rugi tembaga pada saat pembebanan tertentu.
Pt1 = Rugi-rugi tembaga beban penuh.
S2 = Beban yang dioperasikan
S1 = Nilai pengenal transformator
2.10
Effisiensi Transformator
Efisiensi transformator adalah perbandingan antara daya output dengan
daya input. Secara sistematis dapat ditulis:
ɳ=
𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛
x 100 %
Pin = Pout + ∑ rugi-rugi
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓
ɳ = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓+ ∑rugi−rugi x 100 %
............................................... (2.27)
.................................................(2.28)
................................................(2.29)
32
2.10.1 Perubahan Efisiensi terhadap Beban
Perubahan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai :
ɳ=
𝑉2 𝑐𝑎𝑠 ∅
𝑉2 cos ∅ + 𝐼2 𝑅2𝑒𝑘+
𝑃𝑖
𝐼2
agar ɳ maksimum, maka
𝑑
𝑑𝐼2
(𝐼2𝑅2𝑒𝑘 +
𝑃𝑖
𝐼2
)=0
jadi,
R2ek = Pi/I22R2ek = Pcu
Artinya untuk beban tertentu, efisiensi maksimum terjadi ketika rugi tembaga =
rugi inti. Untuk menentukan besarnya beban yang di operasikan pada saat
efisiensi maksimum, berlaku rumus :
𝑟𝑢𝑔𝑖−𝑟𝑢𝑔𝑖 𝑏𝑒𝑠𝑖
Wefmaks = √𝑟𝑢𝑔𝑖−𝑟𝑢𝑔𝑖 𝑡𝑒𝑚𝑏𝑎𝑔𝑎 𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑢ℎ x Beban Penuh
...........(2.30)
Gambar 2.18 Karakteristik Efisiensi Pembebanan Trafo
Dari karakteristik diatas terlihat bahwa transformator akan mempunyai efisiensi
tertinggi pada saat terjadi pembebanan 80% dari pembebanan nominalnya.
33