Transformator-transformator instrumen digunakan untuk mengukur tegangan bolak-balik pada stasiun pembangkit, stasiun transformator dan pada saluran transmisi, dalam kaitannya dengan instrumen-instrumen pengukur arus bolak-balik (voltmeter, ampremeter, Wattmeter, VARmeter, dan lain-lain). Transformator-transformator instrumen dikelompokkan sesuai dengan pemakaiannya dan disebut transformator arus, TA) dan transformator potensial (potential transformer, TP).
110 Transformator-transformator ini melakukan dua fungsi penting: memperbesar rangkuman alat ukur arus bolak-balik seperti halnya halnya shunt atau tahanan pengali pada alat ukur arus searah; dan mengisolir alat ukur dari jala-jala listrik tegangan tinggi..
Rangkuman sebuah ampermeter arus searah dapat diperbesar dengan
menggunakan sebuah shunt yang membagi arus yang diukur ke alat-ukur dan shunt. Metoda ini memuaskan bagi rangkaian arus searah, tetapi didalam rangkaian-rangkaian arus bolak balik pembagian arus tidak hanya bergantung pada tahanan alas ukur dan shunt, tetapi juga pada reaktansinya. Karena pengukuran arus bolak-balik dilakukan pada rangkuman frekuensi yang lebar, menjadi sulit untuk mendapatkan ketelitian yang tinggi. Sebuah transformator arus menghasilkan perluasan rangkuman yang diinginkan melalui perbandingan transformasinya dan di samping itu menghasilkan pembacaan yang hampir sama tanpa memperhatikan konstanta alat-ukur (reaktansi dan tahanan); atau kenyataannya jumlah instrumen (dalam batas-batas yang sesuai) yang dihubungkan di dalam rangkaian.
Isolasi alat-ukur dari jala-jala listrik tegangan tinggi adalah penting bila kita ingat bahwa sistem daya bolak-balik sering bekerja pada tegangan-tegangan orde beberapa ratus kilovolt. Adalah tidak praktis menghubungkan jala-jala listrik tegangan tinggi langsung ke panel instrumen untuk maksud pengukuran tegangan dan arus, bukan hanya karena risiko keselamatan yang terlibat tetapi juga karena masalah isolasi yang berkaitan dengan jala-jala tegangan tinggi yang bekerja secara bersamaan di dalam suatu ruang terbatas. Bila sebuah transformator digunakan, hanya kawat-kawat tegangan rendah saja dari kumparan transformator sekunder yang dihubungkan ke panel instrumen dan hanya tegangan rendah yang boleh ada antara kawat-kawat tersebut dan bumi; dengan demikian memperkecil risiko keselamatan dan masalah isolasi.
Banyak literatur yang secara terperinci membahas teori mengenai operasi transformator. Di sini yang dijelaskan hanya transformator instrumen beserta penggunaannya dalam situasi pengukuran.*
(*Untuk mempelajari mesin-mesin bolak-balik dan rangkaian, periksa buku-buku seperti berikut :Michael Liwshitz-Garik and Clyde C.Whipple, AC Machines, edisi kedua . (Princenton, N.J.: D. Van Nostrand C ompan, Inc., 1961), dan penunjang lainnya.)
Gambar 5.29 Transformator potensial tegangan-tinggi (seijin Westinghouse Electric Co.)
111 Gambar 5-29 menunjukkan sebuah transformator potensial; Gambar 5-30 menus jukkan sebuah transformator arus. Transformator potensial (TP) digunakan untuk mengalihkan tegangan tinggi dari sebuah jala-jala ke yang lebih rendah yang sesuai bagi hubungan langsung ke sebuah voltmeter arus bolak-balik atau kumparan potensial watt meter arus bolak-balik. Tegangan sekunder transformator yang biasa adalah 120 V. Tegangan-tegangan primer dibuat standar untuk menyesuaikan terhadap tegangan saluran transmisi yang umum yakni : 2400 V; 4160 V; 7200 V; 13,8 kV, 44 kV, 66 kV, dan 220 kV. Transformator potensial ditetapkan agar menghasilkan sejumlah daya tertentu ke beban sekunder. Berbagai kapasitas beban yang berbeda tersedia agar sesuai bagi pemakaian individu; kapasitas yang umum adalah 200 VA pada frekuensi 60 Hz.
Transformator potensial harus memenuhi persyaratan desain tertentu yang mencakup : ketelitian perbandingan lilitan, reaktansi kebocoran yang kecil, arus maknetisasi yang kecil, dan penurunan tegangan yang paling kecil. Selanjutnya karena kita mungkin bekerja pada tegangan primer yang sangat tinggi, isolasi antara gulungan-gulungan primer dan sekunder harus mampu menahan beda potensial yang tinggi, dan persyaratan lain adalah dielektrik yang sangat tinggi. Dalam hal yang lazim, kumparan tegangan dibuat dari konstruksi kue panggang bundar, dan dilindungi guna pencegahan regangan-regangan dielektrik setempat. Kumparan tegangan rendah atau kumparan-kumparan dililitkan pada sebuah gulungan kertas dan dirakit di bagian dalam kumparan tegangan tinggi. Semua rakitan ini dipadatkan kering (impregnated) atau diredam di dalam minyak. Rakitan inti dan kumparan kemudian ditempatkan di bagian dalam sebuah kotak/ selubung baja yang menyangga terminal-terminal tegangan tinggi atau bushing-bushing porselen. Kemudian kotak diisi dengan minyak isolasi.
Perkembangan baru dalam industri karet sintetik telah memperkenalkan transformator potensial jenis karet tuang/cetak (molded rubber), menggantikan minyak isolasi dan bushing porselen dalam beberapa pemakaian. Gambar 5-29 menunjukkan sebuah transformator potensial 25 kV tipe karet tuang/cetak yang sesuai untuk pemakaian diluar. Unit ini lebih murah dari transformator potensial konvensional yang berisi minyak dan karena ‖bushing‖ terbuat dari karet tuang, sifat rapuh porselen dihilangkan. Sebuah titik polaritas berwarna putih ditempatkan pada "bushing" yang tepat di bagian depan transformator. Dua terminal kumpara sekunder tipe baut tap (stud) dimasukkan di dalam sebuah kotak saluran yang dapat dipindahkan. Daya yang diijinkan (rating) bagi sebuah transformator potensial didasarkan pada pertimbangan-pertimbangan selain kapasitas beban, karena alasan yang telah diberikan sebelumnya. Beban khas yang diijinkan adalah 200 VA pada 60 Hz untuk transformator yang mempunyai perbandingan 2400/120 V. Tetapi pada kebanyakan pengukuran, beban yang berarti akan lebih kecil dari 200 VA.
112 Gambar 5-30 Transformator arus (seijin Westinghouse Electric Co.)
Transformator arus (TA) kadang-kadang mempunyai kumparan primer dan selalu mempunyai kumparan sekunder. Jika terdapat kumpran primer, dia mempunyai julmalah gulungan yang kecil. Dalam kebanyakan hal kumparan primer hanya berupa sale gulungan atau satu konduktor yang dihubungkan seri ke beban yang arusnya akan diukur. Kumparan sekunder mempunyai jumlah lilitan yang lebih banyak dan di hubungkan ke alat ukur arus atau ke sebuah kumparan rile. Kumparan primer sering berupa sebuah konduktor tunggal berbentuk batang tembaga atau batang kuningan beral yang dilewatkan melalui inti transformator. Transformator arus sedemikian disebut transformator arus tipe batang (bar-type). Kumparan sekunder transformator arus ini biasanya dirancang untuk menghasilkan arus sekunder sebesar 5 A. Sebuah transformator arus tipe batang 800/5 A mempunyai 160 lilitan pada kumparan sekundernya.
Kumparan primer transformator arus dihubungkan langsung di dalam rangkaian beban. Bila kumparan sekunder adalah rangkaian terbuka, tegangan yang dibangkitkan pada terminal-terminal terbuka bisa sangat tinggi (sebab kenaikan perbandingan transformator) dan dapat dengan mudah merusak isolasi antara gulungan-gulungan sekunder. Karena itu kumparan sekunder sebuah transformator harus selalu dihubungsingkatkan atau dihubungkan ke sebuah alat ukur atau kumparan rile. Sebuah transformator arus tidak boleh mempunyai kumparan sekunder yang terbuka bila kumparan primernya membawa arus; dia selalu harus ditutup melalui sebuah alat ukur arus, kumparan rile, kumparan arus wattmeter, atau mudahnya oleh sebuah penghubung singkat. Kelalaian mengetahui tindakan pencegahan ini dapat menimbulkan kerusakan berat bagi peralatan atau bagi personel.
Transformator arus yang ditunjukkan pada Gambar 5-30 terdiri dari sebuah inti dengan kumparan sekunder yang terbungkus di dalam isolasi karet tuang. Jendela di dalam inti memungkinkan penyisipan satu atau lebih gulungan konduktor tegangan tinggi pembawa arus. Sebuah konduktor tunggal berisi satu kumparan primer dengan satu lilitan. Perbandingan nominal transformator
113 diberikan pada pelat namanya; ini bukan perbandingan lilitan (karena lebih dari satu lilitan dapat digunakan sebagai kumparan primer) tetapi hanya menunjukkan bahwa suatu arus primer sebesar 500 A akan menghasilkan arus sekunder 5 A bila kumparan sekunder tersebut dihubungkan ke sebuah ampermeter 5 A. Dalam batas-batas praktis, arus di dalam gulungan sekunder ditentukan oleh arus eksitasi primer dan bukan oleh impedansi rangkaian sekunder. Karena di dalam sistem arus bolak-balik arus primer ditentukan oleh beban maka arua sekunder dikaitkan ke arus primer sebesar sekitar kebalikan perbandingan lilitan. Ini benar dalam batas-batas tingkah laku beban sekunder yang agak lebar.
Gambar 5-31 menunjukkan pemakaian transformator-transformator instrumen dalam suatu pengukuran khas. Diagram ini menggambarkan hubungan transformator- transformator instrumen di dalam sebuah rangkaian tiga fasa tiga kawat termasuk dua wattmeter, dua voltmeter dan dua ampermeter. Transformator-transformator potensial dihubungkan terhadap antaran fasa A dan B, dan antaran fasa C dan D; sedang transformator-transformator arus adalah dalam antaran fasa A dan D. Kumparan-kumparan sekunder dari transformator-transformator potensial dihubungkan ke kumparan-kumparan voltmeter dan kumparan-kumparan potensial wattmeter; kumparan-kumparan sekunder transformator arus mengaliri ampermeter dan kumparan-kumparan arus watt meter.
Gambar 5-31 Transformator-transformator instrumen dalam pengukuran tiga fasa. Tanda-tanda polaritas transformator potensial dan transformator arus ditunjukkan oleh empat persegipanjang hitam.
Tanda-tanda polaritas pada transformator dinyatakan oleh sebuah titik pada antaran transformator, dengan maksud membuat sambungan polaritas yang tepat ke alat-alat ukur. Pada setiap saat siklus bolak-balik yang diketahui, terminal-terminal yang diberi tanda titik mempunyai polaritas yang sama dan terminal -terminal wattmeter yang diberi tanda harus dihubungkan ke antaran transformator ini seperti yang ditunjukkan.
PUSTAKA
1. Stout, Melville B., Basic Electrical Measurements, edisi kedua, bab 17. Englewood Cliffs, N.J. Prentice Hall, Inc., 1960.
2. Bartholomew, Davis, Electrical Measurements and Instrumentation, bab S. Boston : Allyn and Bacon, Inc., 1963.
114 SOAL-SOAL
1. Yang mana, dari alat-alat ukur berikut akan mengukur arus bolak-balik tanpa bergantung pada penggunaan penyearah
(a) Alat ukur besi putar daun radial (b) Elektrodinamometer
(c) Mekanisme kumparan putar magnet inti (d) Instrumen termokopel tipe jembatan.
2. (a) Apa yang dimaksud dengan instrumen alih (transfer instrument) ?
(b) Jelaskan mengapa elektrodinamometer dapat digunakan sebagai instrumen alih. 3. Jelaskan mengapa nilai ohm per volt bagian arus bolak-balik (ac) dari sebuah multi-meter komersil lebih rendah dari bagian arus searah (dc) nya.
4. (a) Apa yang dimaksud dengan kesalahan bentuk gelombang pada suatu pembacaan voltmeter.
(b) Voltmeter yang mana yang dapat dipengaruhi oleh kesalahan bentuk gelombang. 5. (a) Apa keuntungan utama dari voltmeter elektrostatik.
(b) Jelaskan mengapa instrumen ini memiliki skala "aturan kuadrat".
(c) Dapatkah instrumen ini digunakan sebagai instrumen alih? Mengapa atau meng-apa tidak?
115 6. Jelaskan prosedur kalibrasi bagi sebuah voltmeter arus bolak-balik tipe
elektrodina-mometer. Nyatakan peralatan laboratorium mana yang diperlukan untuk kalibrasi ini dan tunjukkan ketelitian yang diharapkan.
7. Diagram rangkaian Gambar 5-5 menunjukkan sebuah voltmeter arus bolak-balik tipe penyearah. Gerak alat ukur mempunyai tahanan dalam 250 Ω dan memerlukan 1 mA untuk defleksi penuh. Masing-masing dioda mempunyai tahanan-maju 50 Ω dan tahanan-balik tak berhingga. Tentukan :
(a) Tahanan seri Rs yang diperlukan untuk defleksi penuh bila tegangan 25 Vrms
dimasukkan ke terminal-terminal alat ukur.
(b) Nilai ohm per-volt dari voltmeter arus bolak-balik ini.
8. Tentukan penunjukan alat ukur pada Soal 7 bila sebuah gelombang segitiga dengan nilai puncak 20 V dimasukkan ke terminal-terminal alat ukur.
9. Sebuah tahanan 250 Ω dihubungkan paralel terhadap gerak alat ukur instrumen pada soal 7.
(a) Apa fungsi tahanan ini?
(b) Efek apa yang dimiliki tahanan ini terhadap nilai ohm-per-volt Voltmeter.
(c) Tentukan nilai baru Rs agar memberikan defleksi penuh untuk tegangan masukan 25 Vrms.
10. Voltmeter komersil Gambar 5-7 menggunakan gerak alat ukur 1 mA dengan tahanan dalam 100 Ω. Tahanan shunt terhadap gerak adalah 200 Ω. Dioda D1 dan D2
masing-masing mempunyai tahanan maju 200 Ω dan tahanan balik tak berhingga. (a) Jelaskan fungsi tahanan shunt terhadap gerak alat ukur tersebut
(b) Jelaskan fungsi dioda D2.
(c) Tentukan nilai tahanan-tahanan seri R1, R2 dan R3 jika rangkuman yang di inginkan berturut-turut adalah 10 V, 50 V, dan 100 V.
11. Sebuah instrumen termokopel membaca 10 A pada defleksi penuh. Tentukan arus yang nienyebabkan defleksi setengah skala.
12. Buktikan bahwa tiga wattmeter mengukur daya total yang tepat di dalam sebuah sistem empat kawat tiga fasa. Anggap bahwa beban dihubungkan secara bintang, setimbang dan resistif murni. Gambarkan diagram fasor yang lengkap dari semua tegangan fasa dan arus antaran.
13. Berapa wattmeter yang diperlukan untuk mengukur daya total di dalam rangkaian empat kawat tiga fasa bila beban mengandung sebuah motor induksi dengan hu-bungan Y ? Anggap bahwa diperlukan menggunakan transformator arus dan poten-sial, dan gambarkan diagram rangkaian lengkap dari instalasi pengukuran.
14. Apa arti titik-titik tanda pada sebuah transformator arus atau transformator poten-sial.
116 6. PRINSIP-PRINSIP DAN PEMAKAIAN POTENSIOMETER
6-1 PENDAHULUAN
Potensiometer adalah sebuah instrumen yang direncanakan untuk mengukur te-gangan yang tidak diketahui dengan cara membandingkannya terhadap tete-gangan yang diketahui. Tegangan yang diketahui dapat disuplai dari sebuah sel standar atau setiap sumber tegangan referensi yang diketahui. Pengukuran-pengukuran dengan mengguna-kan cara perbandingan mampu menghasilmengguna-kan tingkat ketelitian yang sangat tinggi sebab hasil yang diperoleh tidak bergantung pada defleksi aktual jarum penunjuk sebagaimana halnya pada instrumen kumparan putar; tetapi hanya bergantung pada ketelitian tegang-an sttegang-andar ytegang-ang diketahui terhadap mtegang-ana perbtegang-andingtegang-an dilakuktegang-an.
Karena potensiometer memanfaatkan kondisi setimbang atau kondisi nol, maka bila instrumen tersebut dibuat setimbang, tidak ada daya yang diambil dari rangkaian yang, mengandung ggl yang tidak diketahui; sebagai akibatnya, penentuan tegangan tidak bergantung dari tahanan sumber. Walaupun potensiometer mengukur tegangan, din dapat juga digunakan untuk menentukan arus dengan hanya mengukur penurunan tegangan yang dihasilkan oleh arus tersebut melalui sebuah tahanan yang diketahui.
Potensiometer digunakan secara luas untuk mengalibrasi voltmeter dan ampermeter dan melengkapi cara standar untuk mengalibrasikan instrumen-instrumen ini. Karena itu potensiometer merupakan sebuah instrumen penting dalam bidang pengukuran listrik dan kalibrasi.
6-2 RANGKAIAN-RANGKAIAN POTENSIOMETER