Transformator Dasar Konversi Energi
Transformator • Transformator adalah suatu peralatan listrik yang termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis dan berfungsi untuk menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, dengan frekuensi sama. • Transformator juga didefinisikan sebagai alat listrik yang dapat memindahkan energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan magnet berdasarkan prinsip induksielektronagnet.
Dasar teori transformator • “Apabila ada arus listrik bolak-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi maka inti besi itu akan berubah menjadi magnit dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan mengelilingi magnit, sehingga akan timbul gaya gerak listrik (GGL)”.
Klasifikasi Transformator • Berdasarkan frekuensi, transformator dikelompokkan sebagai berikut: • 1. frekuensi daya, 50 – 60 Hz • 2. frekuensi pendengaran, 50 – 20 kHz • 3. frekuensi radio, di atas 30 kHz
Trafo dalam STL • Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi: • 1. Transformator Daya • 2. Transformator Distribusi • 3. Transformator pengukuran: terdiri atas trafo arus dan trafo tegangan.
• Kerja transformator yang berdasarkan induksi elketromagnet, 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 dua macam transformator, yaitu tipe inti dan tipe cangkang. •
Trafo Tanpa Beban 𝜙 N1 V1
I0
N2
E1
E2
V1
•
E1
• • •
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V 1 yang sinusoid. Akan mengalir arus primer I0 yang sinusoid dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni, I0 akan tertinggal 90O dari V1. Arus primer I0 akan menimbulkan fluks (𝜙) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid 𝜙 = 𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 sin 𝜔𝑡 Fluks yang sinusoi ini, akan menghasilkan tegangan induksi e1 (Hukum Farraday)
•
𝑒1 = −𝑁1
•
Harga efektifnya :
•
•
𝐸1 =
𝑑(𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 sin 𝜔𝑡) 𝑑𝑡 𝑁1 2𝜋𝑓𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 2
= −𝑁1 𝜔𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 cos 𝜔𝑡 (tertinggal 90O dari 𝜙)
= 4,44 𝑁1 𝑓𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠
Di sisi sekunder N1 V1
N2
E1
E2
•
Pada rangkaian sekunder, fluks 𝜙 bersama tadi akan menimbulkan e2 yang besarnya:
•
𝑒2 = −𝑁2
•
Harga efektifnya :
•
𝐸2 =
𝑑(𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 sin 𝜔𝑡)
= −𝑁2 𝜔𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 cos 𝜔𝑡
𝑑𝑡 𝑁2 2𝜋𝑓𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠 2
𝐸
= 4,44 𝑁2 𝑓𝜙𝑚𝑎𝑘𝑠
𝑁
•
Sehingga : 𝐸1 = 𝑁1
•
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, maka:
• • •
2
2
𝐸1 𝐸2
𝑉
𝑁
= 𝑉1 = 𝑁1 = 𝑎 2
2
𝑎 = 𝑝𝑒𝑟𝑏𝑎𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑠𝑖 Dalam hal ini tegangan induksi E1 mempunyai besaran yang sama tetapi berlawanan arah dengan tegangan sumber V1
Arus Penguat 𝜙
I0
I0 V1
RC
IC
IM
IM
XM
V1
•
IC
E1
Arus primer I0 yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani disebut arus penguat. Dalam kenyataannya arus primer I0 bukanlah merupakan arus induktif murni. Arus ini terdiri atas dua komponen yaitu: 1) Komponen arus pemagnetan IM, yang menghasilkan fluks 𝜙 . Karena sifat besi yang nonlinear, maka arus pemagnetan IM dan juga fluks 𝜙 dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoid. 2) Komponen arus rugi tembaga IC, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi histerisis dan arus eddy. IC sefasa dengan V1, dengan demikian hasil perkalian antara IC x V1 merupakan daya (watt) yang hilang.
Keadaan Berbeban I2 N1 V1
E1
N2 E2
ZL
•
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL.
•
𝐼2 mengalir pada kumparan sekunder, dengan 𝐼2 = 𝑍2 dan 𝜃2 = 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛.
•
Arus beban 𝐼2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) 𝑁2 𝐼2 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 𝐼2 ′, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban 𝐼2 . Sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi: 𝐼1 = 𝐼0 + 𝐼2 ′
• • •
𝑉
𝐿
Perbandingan Arus • • • • • • • • • •
Bila rugi besi diabaikan 𝐼𝐶 𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑖𝑘𝑎𝑛 maka 𝐼0 = 𝐼𝑀 𝐼1 = 𝐼𝑀 + 𝐼2 ′ Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan 𝐼𝑀 saja, berlaku hubungan: 𝑁1 𝐼𝑀 = 𝑁1 𝐼1 − 𝑁2 𝐼2 𝑁1 𝐼𝑀 = 𝑁1 𝐼𝑀 + 𝐼2 ′ − 𝑁2 𝐼2 Sehingga: 𝑁1 𝐼2′ = 𝑁2 𝐼2 Karena nilai 𝐼𝑀 dianggap kecil, maka 𝐼2 ′ = 𝐼1 Jadi:
• 𝑁1 𝐼1 = 𝑁2 𝐼2 atau
𝐼1 𝐼2
=
𝑁2 𝑁1
Rangkaian Ekivalen • • •
• • •
Dalam pembahasan sebelumnya kita mengabaikan adanya tahanan dan fluks bocor. Analisis selanjutnya akan memperhitungkan kedua hal tersebut. Tidak seluruh fluks 𝜙 yang dihasilkan oleh arus pemagnetan 𝐼𝑀 merupakan fluks bersama 𝜙𝑀 , sebagian darinya mencakup kumparan primer 𝜙1 atau kumparan sekunder saja 𝜙2 . Dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor 𝜙1 dan 𝜙2 ditunjukkan sebagai reaktans 𝑋1 dan 𝑋2 . Sedangkan rugi tahanan ditunjukkan dengan 𝑅1 dan 𝑅2 . Dengan demikian model rangkaian dapat digambarkan sebagai berikut: 𝑅1
𝑉1
𝑅2
𝑋1 𝐼𝐶
𝑅𝐶
𝑋𝑀
𝐼𝑀 𝐸1
𝐸2 𝑁1 𝑁2
𝑋2 𝑍𝐿
𝑉2
Model Matematis • • •
Dari model rangkaian ekivalen dapat dtuliskan hubugan (persamaan matematis) trafo berbeban sebagai berikut: 𝑉1 = 𝐸1 + 𝐼1 𝑅1 + 𝐼1 𝑋1 𝐸2 = 𝑉2 + 𝐼2 𝑅2 + 𝐼2 𝑋2
•
𝐸1 𝐸2
• • • •
Sehingga: 𝐸1 = 𝑎 𝑉2 + 𝐼2 𝑅2 + 𝐼2 𝑋2 𝐸1 = 𝑎 𝐼2 𝑍𝐿 + 𝐼2 𝑅2 + 𝐼2 𝑋2 Karena:
• • • • •
•
𝐼2′ 𝐼2
𝑁
= 𝑁1 = 𝑎 atau 𝐸1 = 𝑎𝐸2 2
𝑁 1 = 𝑁2 = 𝑎 atau 𝐼2 = 1 𝐸1 = 𝑎 2 𝐼2′ 𝑍𝐿 + 𝑎 2 𝐼2′ 𝑅2
𝑎𝐼2′ ,
I1 R1
maka:
V1
X1
RC
I0
a2R2
XM
a2X2
a2ZL
I’2
aV2
+ 𝑎2 𝐼2′ 𝑋2
dan 𝑉1 = 𝑎 2 𝐼2′ 𝑍𝐿 + 𝑎 2 𝐼2′ 𝑅2 + 𝑎 2 𝐼2′ 𝑋2 + 𝐼1 𝑅1 + 𝐼1 𝑋1 Persamaan terakhir mengandung pengertian bahwa parameter rangkaian sekunderdinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor 𝑎 2 Sekarang model rangkaian menjadi seperti gambar berikut:
Dilanjutkan pada pertemuan berikutnya
