TRANSFORMATOR

Normal 0 false false false EN-US X-NONE X-NONE

Tansformator adalah suatu alat lisstrik 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-elektromagnetik.

Dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumberdan beban; untuk memisahkan satu rangkaian dari rankaian yang lain; dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.

Berdasarkan frekuensi, transformator dikelompokkan sebagai berikut:

1) Fekuensi daya, 50 – 60 c/s

2) Frekuensi pendengaran, 50 c/s – 20 kc/s

3) Frekuensi radio, di atas 30 kc/s

Dalam bidang tenaga listrik, pemakaian transformator dikelompokkan menjadi:

1) Transformator daya

2) Transformator distribusi

3) Transformator pengukuran; yang terdiri atas transformator arus dan transformator tegangan

Kerja transformator yang berdasarkan induksi-elekromagnetik, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal 2 macam transformator, yaitu tipe inti dan tipe cangkang.

KEADAAN TRANSFORMATOR TANPA BEBAN

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan denganm sumber tegangan V₁ yang sinusoid, akan mengalirlah arus primer I_o yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan N₁ reaktif murni, I_o akan tertinggal 90^o dari V₁. Arus promer I_o menimbulkan fluks (Φ) yang se-fasa dan juga berbentuk sinusoid.

Φ = Φ_maks sin wt

Fluks yang sinusoid ini akan meghasilkan tegangan induksi e₁ (Hukum Faraday).

e₁ = - N₁ dΦ

dt

e₁ = - N₁ d(Φ_maks sin wt) = - N₁ w Φ_maks cos wt

dt (tertinggal 90^o dari Φ)

Harga efektifnya:

E₁ = N₁2πƒΦ_maks = 4.44 N₁ƒΦ_maks

√ 2

Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tadi menimbulkan:

e₂ = - N₂ dΦ

dt

e₂ = - N₂ wΦ_m cos wt

E₂ = - 4.44 N₂ƒΦ_maks

Sehingga:

E₁ = N₁

E₂ N₂

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor

E₁ = V₁ = N₁ = α

E₂ V₂ N₂

α = perbandingan transformasi

Dalam hal ini tegangan induksi E₁ mempunyai kebesaran yang sama tetapi berlawanan arah dengan tegangan sumber V₁.

ARUS PENGUAT

Arus primer I_o yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani desebut arus penguat. Dalam kenyataannya Arus primer I_o bukanlah merupakan arus induktif murni, hingga ia terdiri atas 2 komponen.

1) Komponen arus pemagnetan I_M, yang menghasilkan fluks (Φ). Karena sifat besi yang nonlinier (ingat kurva B-H), maka arus pemagnetan I_M dan juga fluks (Φ) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoid.

2) Komponen arus tembaga I_C, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi histeresis dan “arus eddy”. I_C se-fasa dengan V₁. Dengan demikian hasil perkaliannya (I_C x V₁) merupakan daya (watt) yang hilang.

KEADAAN BERBEBAN

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z_L, I₂ mengalir pada kumparan sekunder dimana I₂ = V₂/Z_L dengan Ө₂ = faktor kerja beban, arus beban I₂ ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N₂I₂ yang cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan I_M. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya. Pada kumparan primer harus mengalir arus I’₂ yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I₂, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi:

I₁ = I₀ + I’₂

Bila rugi besi diabaikan (I_C diabaikan) maka I₀ = I_M

I₁ = I_M + I’₂

Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I_M saja, berlaku hubungan:

N₁I_M = N₁I₁ – N₂I₂

N₁I_M = N₁ (I_M + I’2) - N₂I₂

hingga:

N₁I’₂ = N₂I₂

Karena nilai I_M dianggap kecil, maka I’₂ = I₁

Jadi,

N₁I₁ = N₂I₂ atau I₁ / I₂ = N₂ / N₁

RANGKAIAN EKIVALEN

Tidak seluruh fluks (Φ) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I_M merupakan fluks bersama (Φ_M), sebagian darinya hanya mencakup kumparan primer (Φ₁) atau kumparan sekunder saja (Φ₂). Dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen) yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor (Φ₁) dan (Φ₂) ditunjukkan sebagai reaktansi X₁ dan X₂. Sedang rugi tahanan ditunjukkan dengan R₁ dan R₂.

MENENTUKAN PARAMETER

Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) R_c, X_M, R_ek, dan X_ek, dapat ditentukan besarnya dengan 2 macam pengukuran (test) yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.

Pengukuran Beban Nol

Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan V₁, seperti telah diterangkan terdahulu maka hanya I₀ yang mengalir. Dari pengukuran daya yang masuk (P₁), arus I₀ dan tegangan V₁ akan diperoleh harga:

R_c = V²₁

P₁

Z₀ = V₁ = jX_mR_c

I₀ = R_c + jX_m

Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga R_c dan X_m

Pengukuran Hubungan Singkat

Hubungan singkat berarti impedansi beban Z_Ldiperkecil menjadi nol, sehingga hanya impedansi Z_ek = R_ek + jX_ek yang membatasi arus. Karena harga R_ek dan X_ek ini relatif kecil, harus dijaga agar tegangan yang masuk (V_hs) cukup kecil sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan.

Dengan mengukur tegangan V_hs, arus I_hs, dan daya P_hs akan dapat dihitung parameter:

R_ek = P_hs

(I_hs)²

Z_ek = V_hs = R_ek + jX_ek

I_hs

X_ek = √Z²_ek - R²_ek

PENGATURAN TEGANGAN

Pengaturan tegangan suatu transformator adalah perubahan tegangan sekunder antara beban nol dan beban penuh pada suatu faktor kerja tertentu, dengan tegangan primer konstan.

Pengaturan = V₂ tanpa beban – V₂ beban penuh

V₂ beban penuh

KERJA PARALEL

Pertambahan beban pada suatu saat menghendaki adanya kerja paralel di antara transformator. Tujuan utama kerja paralel ialah agar beban yang dipikul sebanding dengan kemampuan kVA masing-masing transformator, hingga tidak terjadi pembebanan lebih dan pemanasan lebih.

Untuk maksud di atas diperlukan beberapa syarat, yaitu:

1) Perbandingan tegangan harus sama

Jika perbandingan tegangan tidak sama, maka tegangan induksi pada kumparan sekunder masing-masing transformator tidak sama. Perbedaan ini menyebabkan terjadinyya arus pusar pada kumparan sekunder ketika transformator dibebani. Arus ini menimbulkan panas pada kumparan sekunder tersebut.

2) Polaritas transformator harus sama

3) Tegangan impedansi pada keadaan beban penuh harus sama

Dari persamaan rangkaian ekivalen yang lalu, diketahui:

V₁ = I₁Z_ek + V’₂

Dari transformator yang diparalelkan dapat digambarkan sebagai berikut:

I₁ total = I_1A + I_1B

Karena,

V₁ = I₁Z_ek + V’₂

Maka untuk keadaan beban penuh:

V₁ – V’₂ = I_1AZ_1A = I_1BZ_1B

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_1A x Z_1A = I_1B x Z_1B). Dengan demikian dapat juga dikatakan bahwa kedua transformator tersebut mempunyai impedansi per unit (pu) yang sama.

4) Perbandingan reaktansi terhadap tahanan sebaiknya sama

Apabila perbandingan R/X sama, maka kedua transformator tersebut akan bekerja pada faktor kerja yang sama.

RUGI DAN EFISIENSI

Rugi Tembaga (P_Cu)

Rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai:

P_Cu = I²R

Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.

Rugi Besi (P_i)

Rugi besi terdiri atas :

1) Rugi histeresis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti besi, yang dinyatakan sebagai:

P_h = K_h ƒB^1.6_maks watt

K_h = konstanta

B_maks = fluks maksimum (weber)

2) Rugi “arus eddy”, yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi, yang dirimuskan sebagai:

P_e = K_eƒ²B²_maks

Jadi, rugi besi (rugi inti) adalah:

P_i = P_h + P_e

Efisiensi

Efisiensi dinyatakan sebagai:

η = daya keluar = daya keluar = 1 - ∑ rugi

daya masuk daya keluar + ∑ rugi daya masuk

dimana ∑ rugi = P_Cu + P_i

Perubahan Efisiensi Terhadap Beban

Perubahan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai:

η = V₂ cos Φ .

V₂ cos Φ + I₂ R_2ek + (P_i / I₂)

Agar η maksimum, maka:

d / dI₂ (I₂R_2ek + (P_i / I₂)) = 0

Artinya: Untuk beban tertentu, efisiensi maksimum terjdi ketika rugi tembaga = rugi inti.

Perubahan Efisiensi Terhadap Faktor Kerja (Cos Φ) Beban

Perubahan efisiensi terhadap faktor kerja (cos Φ) beban dapat dinyatakan sebagai berikut:

η = 1 – ∑ rugi .

V₂ cos Φ + ∑ rugi

η = 1 – ∑ rugi / V₂ I₂ .

cos Φ + ∑ rugi / V₂ I₂

bila ∑ rugi / V₂ I₂ = X = konstan, maka

η = 1 – X .

cos Φ + X

η = 1 – X/cos Φ .

1 + X/cos Φ

TRANSFORMATOR TIGA FASA

Transformator tiga fasa digunakan karena pertimbangan ekonomi. Dari pembahasan berikut ini akan terlihat bahwa pemakaian inti besi pada transformator tiga fasa akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan pemakaian tiga buah transformator fasa tunggal.

Apabila digunakan transformator fasa tunggal, pada bagian tersebut akan mengalir fluks sebesar ½Φ_A dan ½Φ_B atau sebesar Φ_A. Demikian juga halnya untuk bidang nmqr, jadi pemakaian inti besi jelas menunjukkan penghematan pada transformator tiga fasa. Penghematan tersebut akan lebih terasa lagi bila kini kita mengubah polaritas transformator sedemikian rupa sehingga arah Φ_B ke atas. Dengan arah Φ_B ke atas, fluks yang mengalir pada bidang abcd menjadi:

Φ_A + Φ_B

2 2

Dan besaran vektor ini hanya sebesar:

½ x Φ_A

Ditambah lagi dengan sistem pendingin yang maju, transformator tiga fasa menjadi lebih ekonomis.

HUBUNGAN DELTA

Tegangan transformator tiga fasa dengan kumparan yang dihubungkan secara delta, yaitu V_AB, V_BC, V_CA masing-masing berbeda fasa 120^o.

V_AB + V_BC + V_CA = 0

Untuk beban yang seimbang:

I_A = I_AB - I_CA

I_B = I_BC – I_AB

I_C = I_CA - I_BC

HUBUNGAN BINTANG

Arus transformator tiga fasa dengan kumparan yang dihubungkan secara bintang, yaitu I_A, I_B, dan I_C masing-masing berbeda fasa 120^o.

Untuk beban yang seimbang:

I_N = I_A + I_B + I_C

V_AB = V_AN + V_BN = V_AN - V_BN

V_BC = V_BN – V_CN

V_CA = V_CN – V_AN

TRANSFORMATOR ARUS

Transformater arus digunakan untuk mengukur arus beban suatu rangkaian. Dangan menggunakan transformator arus, maka arus beban yang besar dapat diukur dengan menggunakan alat ukur (ammeter) yang tidak terlalu besar.

Dengan mengetahui perbandingan transformasi N₁/N₂ dan pembacaan ammeter (I₂), arus beban I₁ dapat dihitung. Bila transformator dianggap ideal, maka arus beban:

I₁ = N₂/N₁ x I₂

Untuk menjaga agar fluks (Φ) tetap tidak berubah, maka perlu diperhatikan agar rangkaian sekunder selalu tertutup. Dalam keadaan rangkaian sekunder terbuka, ggm N₂I₂ akan sama dengan nol (karena I₂ = 0), sedangkan ggm N₁I₁ tetap ada, sehingga fluks normal (Φ) akan terganggu.

TRANSFORMATOR TEGANGAN

Transformator tegangan digunakan untuk mengukur tegangan. Dengan mengetahui N₁ dan N₂, membaca tegangan V₂, serta menganggap transformator ideal maka tegangan V₁ adalah:

V₁ = N₁/N_{2 .} V₂

Pentanahan rangkaian sekunder diperlukan untuk mencegah adanya beda potensial yang besar antara kumparan primer dan sekunder pada saat isolasi kumparan primer rusak.

(Zuhal.1993.Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya.Gramedia Pusaka Utama,Jakarta)