BAB II TRANSFORMATOR

BAB II TRANSFORMATOR

II.1

UMUM Transformator merupakan suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi

untuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya,dengan frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis,dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya. Dalam bidang teknik listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi: 1. Transformator daya 2. Transformator distribusi 3. Transformator pengukuran; yang terdiri dari transformator arus dan transformator tegangan.

II.2

PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator terdiri atas dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang bersifat

induktif. Kedua kumparan ini 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 yang dilaminasi, 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 atau disebut sebagai induksi bersama (mutual

Universitas Sumatera Utara

induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi)

e = (-) N Dimana :

(Volt) ........................................ ( 2.1 )

e = gaya gerak listrik (Volt) N = jumlah lilitan (turn)

= perubahan fluks magnet (weber/sec) 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 melakukan arus bolak-balik antara rangkaian. Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit). II.2.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalirkan arus primer I0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni. I0 akan tertinggal 900 dari V1. Arus primer I0 menimbulkan fluks (Ф) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal.

I0 AC

V1

I2

Фm N1

N2

V2


Gambar 2.1 Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban

I1 I0 Im Xm

Ic Rc

V1

V2

Gambar 2.2 Rangkaian Ekivalen Transformator Dalam Keadaan Tanpa

Φ

I0

E1

V1

Beban Gambar 2.3 Gambar Vektor Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban

V1

0

90o

I o, Φo

π

2π

ωt

Gambar 2.4 Gambar Gelombang Io Tertinggal 90o Dari V1


Ф = Фmax sin ωt (weber) .................................. ( 2.2 )

Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi е1 (Hukum Faraday):

e1 = -N1

...................................... ( 2.3 )

e1 = -N1

.......................... ( 2.4 )

e1 = - N1 ω

cos ωt (Volt) ....................... ( 2.5 )

e1 = N1ω Фmax sin (ωt – 90) (tertinggal 90o dari Ф) ...... ( 2.6 ) Dimana :

e1 = gaya gerak listrik (Volt) N1 = jumlah belitan di sisi primer (turn) ω = kecepatan sudut putar (rad/sec) Φ = fluks magnetik (weber)

Φ

e1, e2

iΦ 0

o 90

π

2π

ωt


Gambar 2.5 Gambar Gelombang

e1 Tertinggal 90o Dari Φ

Harga efektif :

E1 =

......................................... ( 2.7 )

E1 =

....................................... ( 2.8 )

E1 =

................................ ( 2.9 )

E1 =

................................. (2.10)

E1 = 4,44 N1 f

(Volt) .......................... (2.11)

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

e2 = - N2

...................................... (2.12)

e2 = N2 ω Фmax cos ωt (Volt) Harga efektifnya : E2 = 4,44 N2f Фmax (Volt) ............................. (2.13) Sehingga perbandingan antara rangkaian primer dan sekunder adalah :

=

= a ................................... (2.14)

Dimana : E1 = ggl induksi di sisi primer (Volt) E2 = ggl induksi di sisi sekunder (Volt) N1 = jumlah belitan sisi primer (turn) N2 = jumlah belitan sisi sekunder (turn)


a = faktor transformasi

II.2.2 Keadaan Transformator Berbeban Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir pada

.

kumparan sekunder, dimana I2 =

I1

AC

’ Ф‘2 Ф2

Фm

N2

N1

V1

I2

V2 Z L

Gambar 2.6 Transformator Dalam Keadaan Berbeban

X1

R1

R2

I1

V1

IC

RC

I0

I2

I'2

XM

X2

IM

ZL

V2

Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen 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. 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)................................( 2.15 )

Bila komponen arus rugi inti (Ic) diabaikan, maka I0 = Im , sehingga : I1 = Im + I2’ (Ampere)

......................... ( 2.16 )

Dimana: I1

=

arus pada sisi primer (Ampere)

I'2

=

arus yg menghasilkan Φ'2 (Ampere)

I0

=

arus penguat (Ampere)

Im

=

arus pemagnetan (Ampere)

Ic

=

arus rugi-rugi inti (Ampere)

Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM, maka berlaku hubungan : N1 IM = N1 I1 – N2 I2 ................................ ( 2.17 ) N1 IM = N1 (IM + I2’) – N2 I2 ........................... ( 2.18 ) N1 I2’ = N2 I2 ...................................... ( 2.19 )

Karena IM dianggap kecil, maka I2’ = I1. Sehingga : N1 I1 = N2 I2....................................... ( 2.20 )

=

........................................ ( 2.21 )


II.3

RUGI-RUGI PADA TRANSFORMATOR

Rugi Tembaga

Sumber

Rugi Tembaga

Kumparan primer

Fluks Bersama

Kumparan Sekunder

Out Put

Rugi Besi Histeresis Dan Eddy Current

Gambar 2.8 Blok Diagram Rugi – Rugi Pada Transformator

II.3.1 Rugi Tembaga ( Pcu ) Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga yang terjadi pada kumparan sekunder dapat ditulis sebagai berikut : Pcu = I2 R (Watt) .................................. ( 2.22 ) 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.3.2 Rugi Besi ( Pi ) Rugi besi terdiri atas : a) Rugi histerisis (Ph), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :


Ph = kh f Bmaks1.6 (watt)............................ ( 2.23 ) Kh

= konstanta

Bmaks = Fluks maksimum (weber) b) Rugi arus eddy (Pe) , yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi.

Dirumuskan sebagai : Pe = ke f2 B2maks (Watt) ............................. ( 2.24 ) Kh

= konstanta

Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah : Pi = Ph + Pe (Watt)................................. ( 2.25 )

II.4

KONSTRUKSI TRANSFORMATOR II.4.1 Konstruksi Transformator Tiga Phasa Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian

magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. Untuk konstruksi tipe inti dapat dilihat pada Gambar 2.9. R

S

T PRIMER

SEKUNDER

r

s

t

Gambar 2.9 Konstruksi Transformator Tiga Fasa Tipe Inti


Salah satu jenis konstruksi yang biasa dipergunakan yaitu tipe cangkang diperlihatkan pada Gambar 2.10 :

R

r PRIMER

S

SEKUNDER

s

T

t

Gambar 2.10 Transformator Tiga Fasa Tipe Cangkang Dalam jenis inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi. Dalam jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi dibawah beberapa ratus Hz. Silikon-steel memiliki sifat-sifat yang dikehendaki yaitu murah, rugi inti rendah dan permeabilitas tinggi pada rapat fluks tinggi. Inti transformator yang dipergunakan dalam rangkaian komunikasi pada frekuensi tinggi dan tingkat energi rendah, kadang-kadang dibuat dari campuran tepung ferromagnetik yang dimanfaatkan sebagai permalloy.


II.4.2 Hubungan Transformator Tiga Phasa Secara umum ada 3 macam jenis hubungan pada transformator tiga phasa yaitu : 1. Hubungan Bintang (Y) Hubungan bintang ialah hubungan transformator tiga fasa, dimana ujung-ujung awal atau akhir lilitan disatukan. Titik dimana tempat penyatuan dari ujung-ujung lilitan merupakan titik netral. Arus transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan bintang yaitu; IA, IB, IC masingmasing berbeda 120°.

A IA IB B

ZB Z

A

N IN

ZC C

Gambar 2.11

IC

Transformator tiga phasa hubungan bintang.

Dari gambar 2.11 diperoleh bahwa : IA = IB = IC = IL.................................................................................(2.26) IL = Iph..............................................................................................(2.27) VAB = VBC = VCA = VL-L...................................................................(2.28) VL-L =

Vph....................................................................................(2.29)

Dimana : VL-L

= tegangan line to line (Volt)

Vph

= tegangan phasa (Volt)


IL

= arus line (Ampere)

Iph

= arus phasa (Ampere)

2. Hubungan Segitiga/ Delta (Δ) Hubungan segitiga adalah suatu hubungan transformator tiga fasa, dimana cara penyambungannya ialah ujung akhir lilitan fasa pertama disambung dengan ujung mula lilitan fasa kedua, akhir fasa kedua dengan ujung mula fasa ketiga dan akhir fasa ketiga dengan ujung mula fasa pertama. Tegangan transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan segitiga yaitu; VA, VB, VC masing-masing berbeda 120°.

IA IAB

ICA IC IB

IBC

Gambar 2.12 Transformator tiga phasa hubungan segitiga/delta. Dari gambar 2.17 diperoleh bahwa : IA = IB = IC = IL.........................................................................(2.30) IL =

Iph.................................................................................(2.31)

VAB = VBC = VCA = VL-L..........................................................(2.32) VL-L = Vph.................................................................................(2.33)

Dimana : VL-L

= tegangan line to line (Volt)

Vph

= tegangan phasa (Volt)

IL

= arus line (Ampere)

Iph

= arus phasa (Ampere)


3. Hubungan Zigzag

Transformator zig–zag merupakan transformator dengan tujuan khusus. Salah satu aplikasinya adalah menyediakan titik netral untuk sistem listrik yang tidak memiliki titik netral. Pada transformator zig–zag masing–masing lilitan tiga fasa dibagi menjadi dua bagian dan masing–masing dihubungkan pada kaki yang berlainan.

Gambar 2.13 Transformator tiga phasa hubungan zig-zag.

Perbandingan Rugi-rugi untuk tiap kumparan yang terhubung Y, Δ, Zig-zag adalah:

.................................(2.33)

................................(2.34)

................................(2.35) Dimana : iY

= arus pada kumparan yang terhubung Y

ρ

= hambatan jenis tembaga


LY

= panjang kumparan yang terhubung Y

AY

= Luas penampang kumparan yang terhubung Y

AΔ

= Luas penampang kumparan yang terhubung Δ

AZZ

= Luas penampang kumparan yang terhubung Zig-zag

II.4.3 Jenis-Jenis Hubungan Transformator Tiga Phasa Dalam pelaksanaanya, tiga buah lilitan phasa pada sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti bintang dan segitiga, dengan kombinasi Y-Y, Y-Δ, Δ-Y, Δ-Δ, bahkan untuk kasus tertentu liltan sekunder dapat dihubungakan secara berliku-liku (zig-zag), sehingga diperoleh kombinasi Δ-Z, dan Y-Z. Hubungan zig-zag merupakan sambungan bintang istimewa, hubungan ini digunakan untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara bintang dengan beban phasanya tidak seimbang. Di bawah ini pembahasan hubungan transformator tiga phasa secara umum : 1. Hubungan Wye-wye (Y-Y)

Pada hubungan bintang-bintang, rasio tegangan fasa-fasa (L-L) pada primer dan sekunder adalah sama dengan rasio setiap trafo. Sehingga, tejadi pergeseran fasa sebesar 30° antara tegangan fasa-netral (L-N) dan tegangan fasa-fasa (L-L) pada sisi primer dan sekundernya. Hubungan bintang-bintang ini akan sangat baik hanya jika pada kondisi beban seimbang. Karena, pada kondisi beban seimbang menyebabkan arus netral (IN) akan sama dengan nol. Dan apabila terjadi kondisi tidak seimbang maka akan ada arus netral yang kemudian dapat menyebabkan timbulnya rugi-rugi.


Hubungan Y-Y pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.14. Pada hubungan Y-Y, tegangan masing-masing primer phasa adalah :

................................................................................(2.36)

Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator maka, perbandingan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder pada transformator hubungan Y-Y adalah :

......................................................................(2.37)

r

R N1R

N2r

s

R S

r

V2ph

N1S

V h

1p

N1R

N1S

N2r

N2s

s

S N2s

V1L V1ph

V2ph V2L

V2L

V1L N1T

N2t t

T

t

T N1T

N2t

Gambar 2.14 Transformator 3 phasa hubungan Y-Y.

2. Hubungan Wye-delta (Y-Δ) Transformator hubungan Y-Δ, digunakan pada saluran transmisi sebagai penaik tegangan. Rasio antara sekunder dan primer tegangan fasa-fasa adalah 1/√3 kali rasio setiap trafo. Terjadi


sudut 30° antara tegangan fasa-fasa antara primer dan sekunder yang berarti bahwa trafo Y-Δ tidak bisa diparalelkan dengan trafo Y-Y atau trafo Δ-Δ. Hubungan transformator Y-Δ dapat dilihat pada Gambar 2.15. Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan ), dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan

phasa primer ( phasa (

), sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan Y-Δ adalah :

...............................................................(2.38) r

R V1L

N1R

N2r V2ph

V2L

t

R V1L

s

S N1R

N2s

N2s

N2r h

N1T

N1S s 2p

V1

N2t

V

N1S

ph

S

V1ph

V2L r

T

t

T N1T

N2t

Gambar 2.15 Transformator 3 phasa hubungan Y-Δ. 3. Hubungan Delta-wye (Δ-Y)

Transformator hubungan Δ-Y, digunakan untuk menurunkan tegangan dari tegangan transmisi ke tegangan rendah. Transformator hubungan Δ-Y dapat dilihat pada Gambar 2.16. Pada hubungan Δ-Y, tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa primer (

), dan tegangan sisi sekundernya (

), maka perbandingan tegangan

pada hubungan Δ-Y adalah :


............................................................................(2.39)

r

R

V1L

V1ph N1R

N2r

V2ph

V2L

s V2L r 1p

N1R S

N1S

N2s

V

V1L

s

S

h

R

N1S

N1T

N2s

N2r

V2ph N2t

t

T t

T

N1T

N2t

Gambar 2.16 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Y. 4. Hubungan Delta - delta (Δ-Δ) Pada transformator hubungan Δ-Δ, tegangan kawat ke kawat dan tegangan phasa sama untuk sisi primer dan sekunder transformator (VRS = VST = VTR = VLN), maka perbandingan tegangannya adalah :

...................................................................................(2.40) Sedangkan arus pada transformator hubungan Δ-Δ adalah : ...............................................................................................(2.41) Dimana : IL

= arus line to line

IP

= arus phasa


r

R V1L

R V2ph

1p h

V1L

r

V

S

N1S

N1T

N2r V2ph

V2L

V2L

s

S N1S

N2r

N1R

V1ph N1R

N2s

s

N2t N2s

t

T t

T

N1T

N2t

Gambar 2.17 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Δ.

II.5

TRANSFORMATOR DISTRIBUSI Transformator distribusi merupakan alat yang memegang peran penting dalam sistem

distribusi.Transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah. .Transformator

distribusi

yang

umum digunakan

adalah transformator

step-down

20KV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V. Pada kumparan primer akan mengalir arus jika kumparan primer dihubungkan ke sumber tegangan bolak-balik, sehingga pada inti tansformator yang terbuat dari bahan ferromagnet akan terbentuk sejumlah garis-garis gaya magnet (fluks = Ф).Karena arus yang mengalir merupakan arus bolak-balik, maka fluks yang terbentuk pada inti akan mempunyai arah dan jumlah yang berubah-ubah. Jika arus yang mengalir berbentuk sinusoidal, maka


fluks yang terjadi akan berbentuk sinusoidal pula. Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang mana pada inti tersebut terdapat belitan primer dan sekunder, maka pada belitan primer dan sekunder tersebut akan timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi, tetapi arah ggl induksi primer berlawanan dengan arah ggl induksi sekunder. Sedangkan frekuensi masing-masing tegangan sama dengan frekuensi sumbernya.

FUSE CUT OUT CROSS ARM

JTR

LIGHTNING ARRESTER CROSS ARM

TRAFO DISTRIBUSI MERK

KABEL OUTGOING

KABEL INCOMING

L.V.C

Gambar 2.18 trafo distribusi.


II.6 PERHITUNGAN ARUS BEBAN PENUH,ARUS HUBUNG SINGKAT DAN LOSSES AKIBAT ADANYA ARUS NETRAL PADA PENGHANTAR NETRAL TRANSFORMATOR DISTRIBUSI

II.6.1.Perhitungan Arus Beban Penuh Dan Arus Hubung Singkat. Telah diketahui bahwa daya transformator distribusi bila ditinjau dari sisi tegangan tinggi (primer) dapat dirumuskan sebagai berikut:

S=

V I.................... ........................................................... ...(2.41)

Dimana : S = daya transformator (kVA) V = teganagan sisi primer transformator ( kV) I = arus jala-jala (A) Dengan demikian,untuk menghitung arus beban penuh (full load) dapat menggunakan rumus:

IFL =

.................................................................................(2.42)

Dimana: IFL = arus beban penuh (A) S = daya transformator (kVA) V = tegangan sisi sekunder transformator (kV) Sedangkan untuk menghitung arus hubung singkat pada transformator digunakan rumus:


ISC =

...............................................................................(2.43)

Dimana ISC = arus hubung singkat (A) S

= daya transformator (kVA)

V

= tegangan sisi sekunder transformator (kV)

%Z = persen impedansi transformator

II.6.2 Perhitungan losses (rugi-rugi) Akibat Adanya Arus Netral Pada Penghantar netral. Sebagai akibat dari ketidakseimbangan beban antara tiap-tiap fasa pada sisi sekunder trafo (fasa R,fasa S, fasa T) mengalirlah arus di netral trafo.Arus yang mengalir pada penghantar netral trafo ini menyebabkan losses (rugi-rugi).Dan losses pada penghantral netral dapat dirumuskan sebagai berikut : PN = IN 2 RN...............................................................................................(2.44) Dimana: PN = losses pada penghantar netral trafo(Watt) IN = arus yang mengalir pada netral trafo(A)


BAB II TRANSFORMATOR

Recommend Documents