TRANSFORMERS Basic power system
1
Transformers Transformator adalah perangkat yang mentransfer energi dari satu sirkuit ke yang lain dengan cara medan magnit bersama . Dalam semua kasus kecuali autotransformator, disini tidak ada sambungan listrik langsung dari satu sirkuit ke lainnya. Adalah bentuk yang sederhana dan paling familiar yang terdiri dari dua belitan kumparan pada inti ferromagnegtic .Primair normalnya dihubungkan pada sumber arus bolakbalik .Sekundair normalnya dihubungkan pada beban .ketika arus berubah diterapkan pada kumparan primair , merubah medan magnit bersama pada hasil kedua kumparan dalam transfer energi listrik padakumparan kedua. Ketika arus bolak balik mengalir dalam penghantar , medan magnet ada di sekitar penghantar , seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Jika konduktor lain ditempatkan di medan yang diciptakan oleh konduktor pertama seperti bahwa garis-garis flux menggandeng konduktor kedua, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2, selanjutnya tegangan diinduksikan kekonduktor kedua. Penggunaan medan magnet dari satu kumparan untuk menginduksi tegangan ke kumparan kedua adalah prinsip teori transformator dan sebagai dasar aplikasi
2
Menurut percobaan Faraday tegangan e diinduksi pada satu lilitan yang menghubungkan perubahan medan magnet sebanding dengan laju waktu perubahan fluks Φ:
3
Polaritas tegangan induksi dapat ditentukan oleh hukum lenz
Tegangan induksi selalu seperti suatu arah cenderung untuk menentang perubahan dalam fluks gandeng yang dihasilkannya
untuk kumparan banyak lilitan tegangan induksinya :
Kita dapat mengira belitan kumparan pada satu kaki dari suatu inti besi tertutup seperti gambar untuk mengambarkan rangkaian equivalent dari setiap alat disebut inductor, dan untuk dianalisa sifat alamiah dalam kondisi variable suppy kita mengambil pertimbangan pertama sebagai inductor ideal Suatu inductor ideal Suatu inductor ideal didefinisikan dengan asumsi berikut
Induktansi kumparan L mempunyai resistansi R sama dengan nol Disini suatu rangkaian magnitnya ideal dari inti besi dengan tidak ada rugi daya besi Disini tidak ada flux bocor, artinya bahwa flux magnitnya lintasannya dalam inti besi
4
5
Air Core Transformer Beberapa transformator kecil untuk aplikasi daya rendah adalah yang dikontruksikan dengan udara antara dua kumparan Seperti transfomator adalah tidak effisien sebab persentase dari bentuk fluks dari kumparan pertama yang menggandeng kumparan kedua adalah kecil. Tegangan induksi pada kumparan kedua ditentukan sebagai berikut
Dimana N adalah banyaknya belitan dalam kumparan , dø/dt laju waktu dari perubahan flux gandeng kumparan , dan Ø flux diline. Ketika waktu tegangan diterapkan pada kumparan adalah E dan flux gandeng kumparan adalah Ø line, tegangan sesaat dari supply
6
Karena jumlah flux gandeng kumparan kedua adalah prosentasenya kecil dari flux kumparan pertama ,tegangan induksi kedalam kumparan kedua kecil. Banyaknya belitan dapat ditambah untuk menaikan tegangan , tetapi ini akan menaikkan biaya . yang diperlukan selanjutnya untuk menaikkan jumlah flux dari kumparan pertama menggandeng kumparan kedua.
Iron or Steel Core Transformer Kemampuan dari besi atau baja untuk membawa fluks magnetik lebih besar daripada udara. Kemampuan untuk membawa fluks disebut permeabilitas. Baja listrik modern memiliki permeabilitas yang diperlukan 1500 dibandingkan dengan 1 untuk udara . Ini berarti bahwa kemampuan inti baja untuk membawa fluks magnetik adalah 1500 kali lipat dari udara. Inti baja digunakan dalam transformator daya bila rangkaiannya arus bolak balik untuk distribusi energi listrik. Ketika dua kumparan diterapkan pada inti baja, seperti yang diilustrasikan pada Gambar
7
Hampir 100% dari fluks dari kumparan 1 bersirkulasi di inti besi sehingga tegangan induksi kekumparan 2 adalah sama dengan tegangan kumparan 1 jika jumlah belitan dalam dua kumparan adalah sama. Hubungan fundamental antara kerapatan fluks magnetik (B) dan kuat medan magnetik (H) adalah:
8
Karena permeabilitas baja sangat tinggi dibandingkan dengan udara, semua fluks dapat dianggap mengalir di baja dan pada dasarnya adalah sama besarnya di semua bagian inti. Persamaan untuk fluks pada inti dapat ditulis sebagai berikut:
Dalam design transformator, adalah berguna untuk menggunakan kerapatan fluks,
where B = flux density in tesla (webers/square meter).
Equivalent Circuit of an Iron-Core Transformer Ketika tegangan diterapkan pada exciting atau belitan primer dari transformator ,arus magnitisasi (magnetizing current ) mengalir dibelitan primer .Arus ini menghasilkan flux didalam inti .flux yang mengalir dalam rangkaian magnit adalah analog untuk aliran arus dirangkaian listrik. Bila flux mengalir dalam inti baja ,terjadi rugi-rugi dalam baja. Disini ada dua komponen rugi,yang mana adalah unsur rugi “ eddy ” dan “ hysteresis ” . Dapat dinyatakan bahwa Rugi histeresis disebabkan oleh pembalikan siklus fluks pada rangkaian magnetik dan dapat dikurangi dengan kontrol metalurgi baja. Rugi Eddy disebabkan oleh sirkulasi arus eddy dalam baja yang terinduksi oleh aliran fluks magnetik normal terhadap lebar inti, dan dapat dikontrol dengan mengurangi ketebalan dari laminasi baja atau dengan menerapkan pengecatan isolasi lapisan tipis .
9
Primary Winding
Multi-layer Laminated Iron Core
Secondary Winding
H1 H2
X1 X2 Winding Terminals
Rugi eddy dapat dinyatakan sebagai berikut :
Karena tegangan induksi dalam kumparan adalah propotional ke f .Bm Rugi dayanya sama dengan
Konstanta Ke tergantung pada conductivity dari inti material dan luas ketebalan laminasi Jika inti padat digunakan dalam suatu transformator daya, kerugian akan sangat tinggi dan suhu akan berlebihan. Untuk alasan ini, inti dari laminasi lembaran sangat tipis, seperti 0,23 mm dan 0,28 mm, untuk mengurangi ketebalan lembaran individual baja normal terhadap fluks dan dengan demikian mengurangi rugi-rugi. Setiap lembar dilapisi dengan bahan yang sangat tipis untuk mencegah hubungan pendek antara laminasi. Perbaikan dibuat dalam baja listrik selama 50 tahun terakhir telah menjadi penyumbang utama untuk memperkecil dan transformator lebih efisien.
10
Figure Core and windings of 200 kVA, 20/0.4 kV transformer using amorphous steel. Unfortunately very little of the core is visible, but it should be just apparent that this is of the wound construction. It will also be apparent that fairly elaborate clamping was considered necessary and that the physical size, for a 200 kVA transformer, is quite large (Areva T&D)
11
Hysteresis processes. (a) Initial curve; (b) following a normal hysteresis loop after reversalfrom the initial curve; (c) family of normal hysteresis loops; and (d) minor or incremental hysteresisloops
Key points along a normal hysteresis loop.
rugi histerisis adalah propotional pada luas tertutup loop hysteresis . artinya bergantung pada material inti inductor yang dibuat . formula empiris untuk rugi ini adalah.
Dimana konstanta Kh dan n variasi dengan inti material . n sering diasumsikan 1,6 – 2 B adalah propotional pada E dapat ditulis untuk n = 2
combinasi rugi daya arus eddy dan hysteresis , rugi total dayanya adalah : 12
Untuk tujuan rangkaian equivalent ,suatu tahanan equivalent dimasukan selanjutnya rugi daya inti pada suppy frekwensi konstan dinyatakan sbb:
Rugi daya Δ PFe adalah sebanding pada kuadrat tegangan E , yang tampak berseberangan tahanan Rfe. Disini memungkinkan untuk memperlihatkan rangkaian equivalent inductor dalam bentuk seperti gambar
Arus excitation Ie dipisah dalam dua komponen : arus magnitisasi Iµ dan IFe , propotional pada rugi daya inti, gambar b dengan diagram phasor memperlihatkan hubungan antara tegangan E dan arus Iµ dan IFe disini arus bergeser satu sama lain dengan sudut π/2. Pergeseran ini dapat dijelaskan yang artinya bentuk gelombang arus excitation pada gambar. Jika kumparan disupply dengan tegangan sinusoida fluxnya φ harus sinusoida yang dimaksud pada persamaan 1 .karena characteristic magnitisasi B - H nonlinear , dan mempunyai loop hysteresis ,bentuk gelombang arusnya diperoleh dari curva magnitisasi adalah jauh dari sinusoida , jika kita extract dua komponen arus dari arus Ie ditemukan arus symmetris dengan memperhatikan pada arus I line kita peroleh arus ih sephase dengan tegangan E dan arus magnitisasi Iµ lagging tegangan E dengan sudut π/2 (gb b) 13
Sejauh ini kita tidak memperhitungkan tahanan kumparan R dan flux bocor φs .flux ini yang keluar via udara diperlihatkan gambar Tegangan induksi Es dalam kumparan , yang mana sama dengan
Jika kita expresikan fluxnya φs dalam terms arus :
Kemudian tegangannya
Atau ditulis dalam notasi complex
Dimana Xs reaktansi kebocoran Suatu inductor actual mempunyai kumparan real dan rangkaian magnit real .Rangkaian magnit disini dijelaskan dengan loop histerisis dari karakteristik B-H
14
Ketika sumber daya ac dihubungkan ke sebuah transformator, arus mengalir dibelitan primer, bahkan ketika belitan sekunder rangkaiannya terbuka. Disini Arus diperlukan untuk menghasilkan fluksi dalam inti feromagnetik. Ini terdiri dari komponen: 1. Arus Magnitisasi (The magnetization current) im. Arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluks di-inti transformator 2. Rugi arus inti Ih . Arus diperlukan untuk menebus kerugian arus histeresis dan eddy Rangkaian equivalent dari inductor actual gb bawah memperlihatkan rangkaian flux magnit diassoasikan dengan induktansinya Ls dan Lµ . persamaan tegangan dari rangkaian
15
Oleh karena itu, kebocoran fluks akan dimodelkan sebagai sebuah induktor. Arus magnetisasi Iᵤ saat ini proporsional (di wilayah tak jenuh) untuk tegangan diterapkan pada inti, tetapi tertinggal tegangan yang diterapkan 90 °. Oleh karena itu, dapat dimodelkan sebagai Xᵤ reaktansi terhubung di sumber tegangan primer. Rugi inti IFe adalah sebanding dengan tegangan yang diberikan ke inti . Oleh karena itu, dapat dimodelkan sebagai resistensi RFe terhubung di tegangan sumber primer gambar mengilustrasikan rangkaian ekivalen transformator nyata. Seluruh rangkaian biasanya dikonversikan ke rangkaian ekivalen pada tegangan tingkat tunggal Rangkaian ekivalen ini disebut sisinya primer atau sekunder
16
2. SINGLE-PHASE TRANSFORMER 2.1. Transformer operation and construction
Two-winding single-phase transformer
Fig.(a) Shell-type transformer, (b) core-type transformer
Fig. Construction of transformer cores from stampings: (a) shell-type and (b) coretype transformer 17
Two cooling systems: - air-cooled: small transformers - oil-cooled: large transformers Very large transformers are immersed in the tanks with radiators and forced circulation.
Bushing
Steel tank
Iron core behind the steel bar
Winding
Insulation
Radiator
18
High voltage bushing Low voltage bushing
Oil tank
Cooling radiators
19
The dynamic forces of heat generation in a power transformer
DASAR TEORI
Pemakaian minyak trafo berfungsi sebagai isolator dan pendingin pada trafo. Untuk itu minyak trafo yang digunakan harus memenuhi persyaratan diantaranya mempunyai kekuatan isolasi yang tinggi, penyalur panas yang baik dengan berat jenis yang kecil sehingga partikelpartikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat, viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik, mempuyai titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap dan tidak merusak bahan isolasi padat.Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada didalam tangki trafo. Inti besi dan kumparan-kumparan pada trafo akan menimbulkan panas. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi di dalam trafo,maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut trafo perlu dilengkapi dengan sistem pendingin guna menyalurkan panas keluar trafo. Pengaruh naik turunnya beban trafo maupun suhu udara luar dapat menyebabkan suhu minyak akan berubah-ubah. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya bila suhu minyak turun, minyak menyusut menyebabkan udara luar masuk ke dalam tangki. Kedua proses diatas disebut pernapasan trafo. Permukaan minyak trafo akan selalu bersinggungan dengan udara luar yang dapat menurunkan nilai tegangan tembus minyak trafo. Untuk mencegah hal tersebut terjadi, maka pada ujung pipa 20
penghubung udara luar dilengkapi tabung berisi kristal zat hygroskopis (silikagel). Proses kegagalan minyak trafo sebagai isolasi antara lain adanya butiran partikel padat, uap air dan gelembung gas didalam minyak trafo yang akan memulai terjadinya kegagalan. Untuk menghindari kegagalan tersebut dilakukan treatment/penyaringan minyak trafo guna menangkap butiran/partikel zat padat, menghilangkan pengotor dan uap air di dalam minyak.
TABLE Cooling Class Letter Description
21
22
Figure Arrangements of cooling radiators
23
2.2. Ideal transformer Diasumsikan untuk suatu transformator ideal : -
R1 dan R2 adalah sama dengan 0
-
Φs1 dan Φs2 adalah sama dengan 0 (µ =
Diasumsikan flux variasi sinusoida waktu
the induced emfs:
The rms voltages in complex notation:
The ratio of induced voltages:
For an ideal transformer:
There are no power losses and
24
dan L =
)
From the above equation:
=
= a
Fig. The equivalent circuit of ideal transformer with the magnetic link
Schematic of single-phase core-form construction.
25
Major insulation structure consisting of multiple barriers between windings. Not all the key spacers or sticks are shown. (a) Side view, (b) top view.
26
A partially wound winding showing the key spacers and vertical sticks. © 2010
27
Figure Arrangement of continuous disc winding
28
29
30
(b) Impedance scaling through a transformer. The process of replacing one side of a transformer by its equivalent at the second side’s voltage level is known as reflecting or referring the first side of the transformer to the second side.
Approximate Equivalent Circuits of a Transformer In practical engineering applications, the exact transformer model is more complex than necessary in order to get good results. Since the excitation branch has a very small current compared to the load current of the transformers, a simplified equivalent circuit is produced.
The model of a real transformer.
31
(a) The transformer model referred to its primary voltage level. (b) The transformer model referred to its secondary voltage level. The excitation branch is moved to the front of the transformer, and the primary and secondary impedances are added, creating equivalent circuits (Fig.a and b). In some applications, the excitation branch is neglected entirely without causing serious error
32
FIGURE Approximate transformer models: (a) Referred to the primary side; (b) referred to the secondary side; (c) with no excitation branch, referred to the primary side; (d) with no excitation branch, referred to the secondary side.
33
FIGURE Phasor diagram of a transformer operating at a lagging power factor
FIGURE Phasor diagram of a transformer operating at (a) unity and (b) leading power factor. 34
illustrates a phasor diagram of a transformer operating at a lagging power factor.
35
THE AUTOTRANSFORMER In some applications, small adjustments in voltage are required. For example, the voltage may need to be increased from 110 to115 V or from 13.2 to 13.6 kV.
36
A transformer with its windings (a) connected in the conventional manner and (b) reconnected as an autotransformer
37
A step-down connection.
38
39
40
FIGURE 2.1.4 Schematic of three-phase core-form construction.
41
FIGURE 2.1.6 Schematic of single-phase shell-form construction.
42
FIGURE 2.1.8 Concentric arrangement, outer coil being lowered onto core leg over top of inner coil.
FIGURE 2.1.9 Example of stacking (interleaved) arrangement of windings in shell-form construction.
43
44
45
46
47
Table 6.1. Letters used to identify threephase windings
48
49
50
51
52
FIGURE 2.6.5 Typical core and winding arrangements. (a) Tape-wound toroidal core with fully distributed winding. Note the absence of leakage flux, which exists but is considered to be negligible. Sensitivity to primary-conductor position is also negligible. The primary can also consist of several turns. (b) Cut core with winding partially distributed. Leakage flux, in this case, depends on the location of the primary conductor. As the conductor moves closer to the top of the core, the leakage flux increases. (c) Distributed-gap core with winding distributed on one leg only. This type has high leakage flux but good coupling, since the primary and secondary windings occupy the same winding space. (d) Laminated “EI” core, shell-type.This type has high leakage flux, since a major portion of magnetic domains are against the direction of the flux path. The orientation is not all in the same direction, as it is with a tape-wound core.
53
Instrument Transformers Potential transformers and current transformers are two special-purpose transformers used for taking measurements. Potential transformer is used to sample the voltage of a power system. It has high voltage on the primary side and low voltage on the secondary. Its power rating is low. These transformers are manufactured with different accuracy classes. Current transformer is used to sample the current in a line (Fig. 3.25). Its secondary winding is wrapped around a ferromagnetic ring while the single primary line goes through the center of the ring. A typical rating of a current transformer includes 600 : 5 and 1000 : 5. Extremely high voltages will appear across the secondary terminals of a current transformer if the terminals are open. The current transformer should always be kept shortcircuited to prevent dangerous high voltages from appearing at the secondary terminals.
54
