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
