TRANSFORMATOR

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energy listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika.
Dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedensi antara sumber dan beban; untuk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yang lain; dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian. Berdasarkan frekuensi, transformator dapat dikelompokkan sebagai berikut:
1.Frekuensi daya, 50-60 c/s
2.Frekuensi pendengaran, 50 c/s-20 kc/s
3.Frekuensi radio, diatas 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-elektromagnet, adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan skunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama.
Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam transformator, yaitu tipe inti dan tipe cangkang.

KEADAAN TRANSFORMATOR TANPA BEBAN
Bila kumparan primer suatu tansformator dihubungkan dengan sumber tegangan Vı yang sinusoid, akan mengalirkan arus primer I0 yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan Nı reaktif murni, I0 akan tertinggal 90° dari Vı. Arus primer I0 menimbulkan fluks (ф) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid

Ф = фmaks sin wt

Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi eı (Hukum Farraday)

eı = - Nı dф/dt

eı = - Nı d(фmaks sin wt)/dt = - Nı w фmaks cos wt (tertinggal 90° dari ф)

harga efektifnya

Eı = Nı.2Πƒфmaks/√2 = 4,44 Nıƒфmaks

ARUS PENGUAT
Arus primer I0 yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani disebut arus penguat. Dalam kenyataanya arus primer I0 bukanlah merupakan arus induktif murni, hingga ia terdiri atas dua komponen:
1. Komponen arus pemagnetan IM, yang menghasilkan fluks (ф). Karena sifat besi yang nonlinier, maka arus pemagnetan IM dan juga fluks (ф) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoid.
2. Komponen arus rugi tembaga IC, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi hysteresis dan ‘arus eddy’. IC sefasa dengan Vı, dengan demikian hasil perkalian (IC x Vı) merupakan daya (watt)yang hilang.

KEADAAN BERBEBAN
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir pada kumparan sekunder, dimana I2 = V2/ZL dengan θ2 = factor kerja beban.
Arus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2I2 yang cenderung menentang fluks (ф) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan IM. 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:

Iı = I0 + I2

RANGKAIAN EKIVALEN
Dalam pembahasan terdahulu kita mengabaikan adanya tahanan dan fluks bocor. Analisis selanjutnya akan memperhitungkan kedua hal tersebut. Tidak seluruh fluks (ф) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM merupakan fluks bersama (фM), sebagian darinya hanya mencakup kumparan primer (фı) atau kumparan sekunder saja (ф2). Dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen) yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor фı dan ф2 ditunjukkan sebagai reaktansi Xı dan X2. Sedang rugi tahanan ditunjukkan dengan Rı dan R2.

Vı = Eı + IıRı + IıXı

E2 = V2 + I2R2 + I2X2

Eı/E2 = Nı/N2 = a atau Eı = aE2

Hingga

Eı = a(I2ZL + I2R2 + I2X2)

Karena

I2’/I2 = N2/Nı = 1/a atau I2 = aI2’

Maka

Eı = a²I2’ZL + a²I2’R2 + a²I2’X2

Dan

Vı = a²I2’ZL + a²I2’R2 + a²I2’X2 + IıRı + IıXı

Persamaan terakhir mengandung pengertian bahwa apabila parameter rangkaian sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan factor a².

MENETUKAN PARAMETER
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.
Pengukuran Beban Nol
Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan Vı, seperti telah diterangkan terdahulu maka hanya I0 yang mengalir.
Dari pengukuran daya yang masuk (Pı), arus I0 dan tegangan Vı akan diperoleh harga

Rc = Vı²/Pı

Z0 = Vı/I0 = jXmRc/Rc + jXm

Pengukuran Hubungan Singkat
Hubungan singkat berarti impedansi beban ZL diperkecil menjadi nol, sehingga hanya impedensi Zek = Rek + jXek yang membatasi arus. Karena harga Rek dan Xek ini relative kecil, harus dijaga agar tegangan yang masuk (Vhs) cukup kecil sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga I0 akan relative kecil bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan.
Dengan mengukur tegangan Vhs, arus Hhs, dan daya Phs, akan dapat dihitung parameter:

Rek = Phs/(Hhs)²

Zek = Vhs/His = Rek + jXek

Xek = √Z²ek - R²ek

PENGATURAN TEGANGAN
Pengaturan tegangan suatu transformator ialah perubahan sekunder antara beban nol dan beban penuh pada suatu factor kerja tertentu, dengan tegangan primer konstan.
Pangaturan = V2 tanpa beban – V2 beban penuh/V2 beban penuh
Dengan mengingat model rangkaian yang telah ada (dalam hal ini harga sekunder ditransformasikan ke harga primer):
aV2 tanpa beban = Vı
aV2 beban penuh = harga tegangan nominal (dalam hal ini tegangan nominal primer)
pengaturan = Vı – aV2 (nominal)/aV2 (nominal)

KERJA PARALEL
Pertambahan beban pada suatu saat mengkehendaki adanya kerja parallel diantara transformator. Tujuan utama kerja paralel ialah agar beban yang dipukul sebanding dengan kemampuan kVA masing-masing transformator, hingga tidak terjadi pembebanan lebih dan pmanasan lebih.
Untuk maksud diatas diperlukan beberapa syarat yaitu:
1. Perbandingan tegangan arus sama
Jika perbandingan tegangan tidak sama, maka tegangan induksi pada kumparan sekunder masing-masing transformator tidak sama. Perbedaan ini menyebabkan terjadinya arus pusar pada kumparan sekunder ketika transformator dibebani. Arus ini menimbulkan panas pada kumparan sekunder tersebut.
2. Polaritas transformator harus sama.
3. Teghangan impedensi pada keadaan beban penuh harus sama
Dari persamaan rangkaian ekivalen yang lalu diketahui:

Vı = IıZek + V2’

Dua transformator yang diparalelkan dapat digambarkan sebagai berikut:

Iı total = IıA + IıB

4. Perbandingan reaktansi terhadap tahanan sebaiknya sama
Apabila perbandingan R/X sama, maka kedua transformator tersebut akan bekerja pada factor kerja yang sama.

RUGI DAN EFISIENSI
Rugi Tembaga (Pcu)
Rugi yang disebabkan arus beban mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai:

Pcu = I²R

Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban.
Rugi Besi (Pi)
Rugi besi terdiri atas:
1. Rugi histeris, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak-balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai:

Ph = Kh ƒB¹.6maks watt

Kh = konstanta
Bmaks = fluks maksimum (weber)
2. Rugi ‘arus eddy’ yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.
Dirumuskan sebagai :

Pe = Keƒ²B²maks

Jadi, rugi besi (rugi inti) adalah

Pi = Ph + Pe

Efisiensi
Efisiensi dinyatakan sebagai:
Η = daya keluar/daya masuk = daya keluar/daya keluar + Σ rugi = 1 – Σ rugi/daya masuk
Dimana Σ rugi = Pcu + Pi

TRANSFORMATOR TIGA FASA
Transformator tiga fasa digunakan karena pertimbangan ekonomi. Pemakaian inti pada transformator tiga fasa akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan pemakaian tiga buah transformator fasa tunggal. Apabila digunakan fasa tunggal, pada bagian tersebut akan mengalir fluks sebesar ½ фA dan ½ фB, atau sebesar фA. jadi pemakaian inti besi jelas menunjukkan penghematan pada transformator tiga fasa. Fluks yang mengalir pada bidang abcd menjadi:

ФA/2 + фB/2

Dan besaran vector ini hanya sebesar:

½ x фA

HUBUNGAN DELTA
Tegangan transformator tiga fasa dengan kumparan yang dihubungkan secara delta, VAB, VBC, dan VCA, masing-masing berbeda fasa 120°.

VAB + VBC + VCA = 0

Untuk beban yang seimbang:

IA = IAB – ICA

IB = IBC – IAB

IC = ICA – IBC

HUBUNGAN BINTANG
Arus transformator tiga fasa dengan kumparan yang dihubungkan secara bintang yaitu, IA, IB, dan IC, masing-masing berbeda fasa 120°.
Untuk beban yang seimbang:

IN = IA + IB + IC

VAB = VAN + VBN = VAN – VBN

VBC = VBN – VCN

VCA = VCN – VAN

OTOTRANSFORMATOR
Pada ototransformator bahwa arus dibagian kumparan ef adalah Ief = 300 A – 100 A, sedangkan pada transformator fasa tunggal biasa keseluruhan arus yang mengalir pada bagian tersebut (kumparan primer dan sekunder) adalah 100 A + 300 A = 400 A. dengan demikian terdapat penghematan tembaga pada ototransformator karena berkurangnya arus yang mengalir pada bagian kumparan ef dari 400 A menjadi 200 A saja. Meskipun demikian ototransformator mempunyai juga kelemahan karena adanya hubungan konduktif antara kumparan tegangan tinggi dan teganga rendah, sehingga suatu kesalahan meletakkan tegangan tinggi menjadi tegangan rendah dapat mengakibatkan kerusakan.

TRANSFORMATOR ARUS
Transformator arus digunakan untuk mengukur arus beban suatu rangkaian. Dengan menggunakan transformator arus maka arus beban yang besar dapat diukur hanya dengan menggunakan alat ukur (ammeter) yang tidak terlalu besar.
Dengan mengetahui perbandingan transformasi Nı/N2 dan pembacaan ammeter (I2), arus beban Iı dapat dihitung. Bila transformator dianggap ideal maka arus beban:

Iı = N2/Nı x I2

TRANSFORMATOR TEGANGAN
Transformator tegangan digunakan untuk mengukur tegangan. Dengan mengetahui Nı dan N2, serta menganggap transformator ideal maka tegangan Vı adalah:

Vı = N2/Nı x I2

Penatahan rangkaian sekunder diperlukan untuk mencegah adanya beda potensial yang besar antara kumparan primer dan sekunder (antara titik a dan b) pada saat isolasi kumparan primer rusak.

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