PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

(1)

Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.

PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP

EFISIENSI TRANSFORMATOR

TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Fakultas Teknik USU)

OLEH :

NAMA MAHASISWA : HOTDES LUMBANRAJA

NIM : 03 0402 052

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP

EFISIENSI TRANSFORMATOR

TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU) OLEH :

NAMA MAHASISWA : HOTDES LUMBANRAJA

NIM : 03 0402 052

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada tanggal 24 bulan Mei tahun 2008 di depan Penguji :

1. Ir. Sumantri Zulkarnaen : Ketua Penguji : ... 2. Ir. Satria Ginting : Anggota Penguji : ... 3. Ir. Djendanari Sembiring : Anggota Penguji : ...

Disetujui oleh : Pembimbing Tugas Akhir,

(Ir. Panusur S.M.L.Tobing)

NIP: 130 810 770

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro,

(Ir. Nasrul Abdi, MT) NIP : 131 459 555

(3)

Abstrak

Transformator adalah suatu alat yang dapat memindahkan dan mengubah besar energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.

Transformator tiga fasa hubungan open-delta adalah suatu hubungan belitan khusus pada tansformator tiga fasa. Hubungan belitan ini dilakukan pada transformator tiga fasa hubungan delta dimana salah satu satu belitan fasanya dibuka. Tujuannya adalah untuk dapat terus melayani beban tiga fasa.

Ketidakseimbangan beban pada sistem tiga fasa terjadi ketika beban pada masing-masing fasa berbeda besarnya baik secara magnitude maupun secara sudut listriknya. Ketidakseimbangan beban mengakibatkan arus pada masing-masing fasa tidak seimbang sehingga resultan arus beban tidak sama dengan nol. Akibatanya untuk daya output yang sama transformator berbeban tidak seimbang akan mempunyai rugi-rugi yang lebih besar dan akan meyerap daya yang lebih besar sehingga efisiensinya akan lebih kecil dibandingkan transformator open delta berbeban seimbang.

(4)

KATA PENGANTAR

Segala hormat, puji dan syukur kepada Tuhan atas kasih dan karunia-NYA yang dilimpahkan kepada penulis selama perkuliahan, sampai pada saat penyusunan tugas akhir ini.

Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, penulis beri judul:

“PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA PHASA HUBUNGAN OPEN DELTA ” (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU

Selama masa perkuliahan sampai menyelesaikan tugas akhir ini penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Panusur S.M.L.Tobing, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan dan pengarahan serta motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Ibu Ir. Windalina Syafiar, selaku dosen wali penulis yang telah membimbing penulis selama menjalani masa perkuliahan di USU.

3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmat Fauzi, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU

(5)

4. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU.

5. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

6. Keluargaku yang kukasihi: Kedua Orang-tua saya J. Lumbanraja dan N. Hutabalian, abang, kakak, dan adik-adik saya atas segala doa dan kasih sayangnya.

7. Semua teman-teman Mahasiswa angkatan’03 Teknik Elektro USU yang telah membantu penulis selama perkuliahan sampai pada penyusunan tugas akhir ini.

8. Semua abang-abang senior dan adik-adik junior yang telah mau berbagi Ilmu dan pengalaman kepada penulis.

9. Semua asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik Teknik Elektro USU. 10. Teman-teman satu kost di Pembangunan 75 dan di Sei Padang 268, dan

teman-teman PNHS Medan atas dukungannya.

11. Temanku Dita, Harnov, Crissutanto, dan teman-teman yang lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.

12. Kepada semua pihak yang banyak memberi dukungan kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

(6)

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya sehingga penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca.

Akhir kata, penulis berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan menambah wawasan bagi para pembacanya.

Medan, April 2008 Penulis

Hotdes Lumbanraja Nim : 030402052

(7)

Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008. USU Repository © 2009 DAFTAR ISI Abstrak ... i Kata Pengantar ... ii Daftar Isi ... v Daftar Gambar ... ix

Daftar Tabel ... xii

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah ... 1

I.2 Tujuan Penulisan ... 3

I.3 Batasan Masalah ... 3

I.4 Manfaat Penulisan ... 4

I.5 Metode dan Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TRANSFOMATOR II.1 Umum ... 7

II.2 Konstruksi Transformator ... 8

II.3 Prinsip Kerja ... 10

II.2 Keadaan Transformator Tanpa Beban ... 11

II.3 Keadaan Transformator Berbeban ... 14

II.4 Rangkaian Ekivalen Transformator ... 15

(8)

II.4.2 Pengukuran Hubung Singkat ... 19

II.5 Diagram Vektor Beban Pada Transformator ... 20

II.5.1 Hubungan Tanpa Beban ... 20

II.5.2 Transformator Berbeban ... 22

II.5.2.1 Beban Tahanan Murni ... 22

II.5.2.2 Beban indukt if ... 23

II.5.2.3 Beban Kapasitif ... 24

II.6 Transformator Tiga Phasa II.6.1 Umum ... 25

II.6.2 Kontruksi Transformator Tiga Phasa dengan menggunakan Tiga Buah Transformator Satu Fasa ... 26

II.6.3 Hubungan Tiga Fasa Dalam Transformator ... 28

II.6.4 Jenis-jenis Hubungan Belitan transformator tiga Fasa ... 31

... BAB III TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTA DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR III.1 Umum ... 36

III.2 Pemakaian Transformator Open Delta ... 37

III.3 Transformator Tiga Fasa Hubungan Open Delta Dalam Keadaan Berbeban ... 39

III.3.1 Jenis-jenis Beban ... 39

III.3.1.1 Resistansi ... 39

(9)

III.3.1.3 Kapasitansi ... 44

III.3.2 Rangkaian Beban Tiga Fasa Seimbang ... 45

III.3.3 Rangkaian Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang ... 47

III.4 Daya Pada Transformator Tiga Fasa Hubungan Open Delta ... 49

III.5 Transformator Open Delta Dalam Keadaan Tidak Seimbang ... 54

III.6 Rugi-rugi Dan Efisiensi ... 55

III.6.1 Rugi Tembanga (Pcu) ... 55

III.6.2 Rugi Besi (Pi) ... 55

III.6.3 Efisiensi ... 56

III.6.3.1 Perubahan Efisiensi Terhadap Beban ... 57

III.6.3.2 Perubahan Efisiensi Terhadap Faktor Kerja (cos Ф) beban ... 57

III.6.3.3 Kondisi Untuk Efisiensi Maksimum ... 58

III.6.3.4 Efisiensi Sepanjang Hari ... 59

BAB IV PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTA IV.1 Umum ... 61

IV.2 Persamaan-Persamaan Yang Digunakan Dalam Pengujian Transformator Tiga Fasa ... 61

IV.2.1 Percobaan Beban Nol ... 62

(10)

IV.2.3 Percobaan Berbeban ... 64

IV.3 Peralatan Yang digunakan ... 65

IV.4 Rangkaian Pengukuran ... 66

IV.5 Prosedur Pengukuran ... 67

IV.5.2 Percobaan Hubung Singkat ... 68

IV.5.3 Percobaan Berbeban ... 68

IV.6 Data Hasil Pengukuran Dan Analisa Perhitungan ... 69

IV.6.1 Data dan Name plate Transformator Tiga Fasa ... 69

IV.6.3 Percobaan Hubung Singkat ... 72

IV.6.4 Percobaan berbeban Seimbang ... 74

IV.6.5 Percobaan berbeban Tidak Seimbang ... 77

IV.6.5.1 Percobaan Dengan dua Fasa seimbang sedangkan fasa yang lain tidak dibebani ... 77

IV.6.5.2 Percobaan Dengan dua Fasa seimbang sedangkan Dibebani Berbeda ... 79

IV.6.5.3 Masing-masing Fasa Dibebani Berbeda ... 82

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 KESIMPULAN... 88

V.2 SARAN ... 89 DAFTAR PUSTAKA

(11)

DAFTAR GAMBAR

BAB II TRANSFORMATOR

Gambar 2.1 Konstruksi Transformator Tipe Inti (Core Form) ... 9

Gambar 2.2 Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator Bentuk L dan U ………... 9

Gambar 2.3 Transformator Tipe Cangka ng (Shell Form) ... 10

Gambar 2.4 Konstruksi Lempengan Logam Inti Transformator . Bentuk E,I dan F ... 10

Gambar 2.5 Transformator Dalam Keadan tanpa Beban ... 12

Gambar 2.6 Transformator Dalam Keadan Berbeban ... 14

Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator ... 15

Gambar 2.8 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator ... 16

Gambar 2.9 Parameter Sekunder Pada Rangkaian Primer ... 16

Gambar 2.10 Hasil Akhir Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen ... Transformator ... 17

Gambar 2.11 Pengukuran Beban Nol ... 17

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Pengukuran Beban nol ... 18

Gambar 2.13 Pengukuran Hubung Singkat ... 19

Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Pengukuran Hubung Singkat ... 19

Gambar 2.15 Diagram Vektor Transformator Ideal Tanpa Beban ... 21

Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator tak Ideal Tanpa Beban... 22

(12)

Gambar 2.18 Vektor Diagram Transformator Berbeban tahanan Murni ... 23

Gambar 2.19 Vektor Diagram Transformator Berbeban Induktif ... 24

Gambar 2.20 Vektor Diagram Transformator Berbeban Kapasitif ... 25

Gambar 2.21 Transformator 3 Fasa Tipe Inti ... 27

Gambar 2.22 Transformator 3 Fasa Tipe Cangkang ... 27

Gambar 2.23 Hubungan Wye ... 29

Gambar 2.24 Hubungan Delta ... 30

Gambar 2.25 Transformator Hubungan Y-Y ... 31

Gambar 2.26 Transformator Hubungan Y-∆ ... 32

Gambar 2.27 Transformator Hubungan ∆-Y ... 33

Gambar 2.28 Transformator Hubungan ∆-∆ ... 34

BAB III TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTA DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR Gambar 3.1 Transformator Hubungan Delta delta ... 36

Gambar 3.2 Transformator Hubungan Open delta ... 37

Gambar 3.3 Perwakilan grafik Untuk hukum Ohm ... 39

Gambar 3.4 Grafik Resistor Tidak Linier ... 40

Gambar 3.5 Grafik Parameter Induktansi L ... 42

Gambar 3.6 Induktor Linier Dengan Inti Besi ... 43

Gambar 3.7 Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Beserta diagram fasornya..45

Gambar 3.8 Beban tiga Fasa Hubungan Delta Dan Diagram Fasornya ... 46

Gambar 3.9 Beban Tak Seimbang Terhubung Bintang Empat Kawat dan Tiga Kawat ... 48

(13)

Gambar 3.10 Transformator Open delta Berbeban ... 50 Gambar 3.11 Diagram Fasor Tegangan dan Arus pada Transformator

Open delta ... 51 Gambar 3.12 Vektor Tegangan Dan Arus Transformator Open delta

Pada Keadaan tidak Seimbang... 54 Gambar 3.13 Blok Diagram rugi-rugi pada Transformator ... 55 Gambar 3.14 Kurva Perubahan Efisiensi Terhadap faktor Kerja ... 58 BAB IV PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI

TRANSFORMATOR

Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol Hubungan Open delta ... 66 Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Hubung Singkat Hubungan Open

Delta ... 67 Gambar 4.3 Rangkaian Percobaan Berbeban Hubungan Open delta... 67 Gambar 4.4 Kurva Karakteristik Daya Beban Nol Terhadap tegangan

Input ... 71 Gambar 4.5 Kurva Karakteristik Daya Hubung Singkat ... 73 Gambar 4.6 Kurva Hubungan Antara Efisiensi Dengan Daya Output .... 76 Gambar 4.7 Kurva Hubungan Antara Loses Dengan Arus Beban ... 76 Gambar 4.8 Kurva Hubungan Antara Rata-Rata Ketidak seimbangan

Dengan Loses ... 86 Gambar 4.9 Kurva Hubungan Antara Rata-Rata Ketidak seimbangan

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Percobaan Beban Nol ... 70

Tabel 4.2 Hasil Analisa Data Percobaan Beban Nol ... 71

Tabel 4.3 Data Percobaan Hubung singkat ... 72

Tabel 4.4 Hasil Analisa Data Percobaan Hubung singkat ... 73

Tabel 4.5 Data Percobaan Berbeban Seimbang ... 74

Tabel 4.6 Hasil Analisa Data Percobaan Berbeban Seimbang ... 75

Tabel 4.7 Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain Tidak Dibebani ... 77

Tabel 4.8 Hasil Analisa Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain Tidak Dibebani ... 78

Tabel 4.9 Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain Dibebani berbeda ... 79

Tabel 4.10 Hasil Analisa Data Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain Dibebani berbeda ... 81

Tabel 4.11 Data Percobaan Masing-masing Fasa Dibebani berbeda ... 82

Tabel 4.12 Hasil Analisa Data Percobaan Masing-masing Fasa Dibebani berbeda ... 85

(15)

BAB I PENDAHULUAN

I.1. LATAR BELAKANG MASALAH

Transformator adalah suatu alat yang dapat memindahkan dan mengubah besar energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama. Energi listrik yang dipindahkan dan diubah tersebut adalah tegangan dan arus bolak-balik (AC). Sedangkan tegangan dan arus searah (DC) tidak dapat dikonversikan oleh transformator.

Jenis-jenis transformator sangat banyak, tetapi secara umum dapat diklasifikasikan atas tiga jenis, yaitu Transformator Daya, Transformator Distribusi dan Transformator Pengukuran. Dalam aplikasinya di lapangan transformator yang paling banyak dipergunakan adalah Transformator Daya dan Transformator Distribusi. Pada umumnya jenis transformator yang dipergunakan sebagai Transformator Daya dan Transformator Distribusi adalah transformator tiga fasa, karena suplai tegangan dan arus yang masuk dari pembangkit tenaga listrik adalah tegangan dan arus tiga fasa. Dan juga karena pertimbangan ekonomis dan keefisienannnya. Pada transformator tiga phasa terdapat dua hubungan belitan utama yaitu hubungan delta dan hubungan bintang. Dan ada empat kemungkinan lain hubungan transformator tiga phasa yaitu Hubungan Wye-Delta (Y-Δ), Hubungan Delta–Wye (Δ–Y), Hubungan Wye-Wye (Y-Y), Hubungan Delta-Delta (Δ–Δ).

Hubungan delta-delta (Δ–Δ) adalah hubungan yang paling ekonomis digunakan untuk tegangan rendah dengan arus atau beban yang besar dan juga untuk

(16)

beban yang tidak seimbang. Hubungan belitan ini juga merupakan hubungan belitan yang paling fleksibel jika dibandingkan dengan berbagai macam hubungan belitan lainnya. Salah satu keuntungan dari hubungan belitan ini adalah jika salah satu belitannya mengalami kerusakan atau tidak dapat melayani beban, sisa dua belitan lainnya dapat dioperasikan untuk menyalurkan daya dengan menggunakan hubungan belitan open-delta dimana belitan yang rusak dibuka atau dilepas. Pembukaan salah satu belitan juga dilakukan jika beban yang dilayani terlalu kecil untuk masa sekarang tetapi perlu diantisipasi pertumbuhan beban dimasa yang akan datang yaitu dengan penutupan / pemasangan kembali belitan yang dibuka ( hubungan delta-delta).

Pada umumnya beban yang dilayani suatu transformator diusahakan seimbang, tetapi dalam kenyataannya sering beban yang dilayani oleh suatu transformator tidak seimbang. Beban tidak seimbang menyebabkan arus beban berubah-ubah, Karena arus beban yang berubah-ubah maka rugi-rugi tembaga juga berubah bergantung pada beban. Sehingga beban yang tidak seimbang akan mempengaruhi efisiensi dari transformator. Misalnya transformator itu adalah transformator open delta, maka sebelum dioperasikan perlu dilakukan pengujian. Salah satu pengujian dimaksud adalah pengujian untuk mengetahui pengaruh pembebanan tidak seimbang terhadap efisiensinya, karena efisiensi merupakan pertimbangan yang sangat penting diperhitungkan dalam pelayanan.

(17)

I.2. TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Memberikan penjelasan tentang cara pemakaian transformator tiga fasa dengan hanya mengunakan dua buah belitan (hubungan Open-Delta) untuk menyalurkan tegangan dan arus tiga fasa.

2. Untuk mengetahui pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan Open-Delta.

I.3. BATASAN MASALAH

Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan tujuan penulisan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas yaitu :

1. Membahas pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan belitan Open-Delta

2. Transformator yang dipergunakan adalah transformator buatan Pabrik AEG-Jerman pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT-USU dengan rating sebagai berikut :

Transformator tiga fasa : 2000 VA ; 50 Hz

Primer : 36,7-63,5 Volt ; 5,3 Ampere Sekunder : 127-220 Volt ; 3,2 Ampere 3. Menggunakan beban resistif 3 fasa yang dihubungkan delta 4. Tidak membahas masalah harmonisa.

(18)

I.4. MANFAAT PENULISAN

Penulisan Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat untuk :

1. Mahasiswa Departemen Teknik Elektro yang ingin memperdalam pengetahuan tentang Transformator.

2. Penulis sendiri untuk memberikan pemahaman tentang pentingnya mengetahui cara pemakaian transformator tiga fasa dengan dua belitan saja ( hubungan Open-Delta) untuk melayani penyaluran daya.

3. Penulis sendiri untuk mengetahui pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan Open-Delta

4. Bagi para pembaca, diharapkan dapat menjadi sumbangan dalam memperkaya pengetahuan sehingga dapat memunculkan ide-ide yang baru dalam menemukan suatu metode untuk mengetahui atau meningkatkan nilai efisiensi dari suatu transformator Open-Delta.

I.5. METODE DAN SISTEMATIKA PENULISAN

A. Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain

(19)

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU

3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

B. Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut.

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.

BAB II. TRANSFORMATOR

Bab ini menjelaskan tentang transformator secara umum, konstruksi, prinsip kerja, rangkaian ekivalen, keadaan tanpa beban dan keadaan berbeban, diagram vektor transformator, serta transformator tiga fasa. BAB III. TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTA

Bab ini menjelaskan tentang transformator tiga fasa hubungan open-delta, pemakaiannya, tegangan dan arus dalam transformator open-open-delta, daya serta rugi-rugi dan efisiensi pada transformator tiga fasa.

(20)

BAB IV. PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

Bab ini menjelaskan tentang pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator tiga fasa hubungan open-delta yaitu dengan melaksanakan percobaan pada transformator di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT USU.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dan saran yang diperoleh dari hasil percobaan.

(21)

Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik bolak-balik ( arus dan tegangan ) dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan nilai yang sama maupun berbeda besarnya (lebih kecil atau lebih besar) pada frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer, dan kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar “kaki” inti transformator.

Transformator digunakan secara luas baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak jauh. Penggunaan transformator yang sangat sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya dalam penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik, karena arus bolak–balik sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik terjadi kerugian energi sebesar I2R watt. Kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan setinggi

(22)

mungkin. Dengan demikian maka saluran–saluran transmisi tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi, dengan cara mempergunakan transformator untuk menaikkan tegangan listrik di pusat listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 kV sampai 20 kV pada awal transmisi ke tegangan saluran transmisi antara 100 kV sampai 1000 kV, kemudian menurunkannya lagi pada ujung akhir saluran ke tegangan yang lebih rendah.

Transformator yang dipakai pada jaringan tenaga listrik merupakan transformator tenaga. Disamping itu ada jenis–jenis transformator lain yang banyak dipergunakan, dan yang pada umumnya merupakan transformator yang jauh lebih kecil. Misalnya transformator yang dipakai di rumah tangga untuk menyesuaikan tegangan dari lemari es dengan tegangan yang berasal dari jaringan listrik atau transformator yang lebih kecil, yang dipakai pada lampu TL. Dan yang lebih kecil lagi, transformator–transformator “mini” yang dipergunakan pada berbagai alat elektronik, seperti pesawat penerima radio, televisi, dan sebagainya.

II.2. Konstruksi Transformator

Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus bahasan disini adalah transformator daya.

Konstruksi transformator daya ada dua tipe yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy.

(23)

kumparan

inti

Tipe inti (Core form)

Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan mengelilingi inti besi yang disebut dengan kumparan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core form)

Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf L atau huruf U, dapat kita lihat pada gambar 2.2

Gambar. 2.2 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk L dan U

(24)

Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada gambar 2.3

Gambar 2.3 Transformator tipe cangkang (shell form)

Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti. Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti terlihat pada gambar 2.4

Gambar 2.4 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk E, I dan F

II.3. 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.

(25)

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 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 ).

dt d N

e=− φ Volt ... (2.1 )

Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] N = jumlah lilitan

dt dφ

= perubahan fluks magnet

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 )

(26)

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalir 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 sinusoid.

φ V1 I1 N1 _E 1 E2 N2 V2

Gambar 2.5 Transformator dalam keadaan tanpa beban

t ω sin max Φ = Φ Wb ... (2.2)

Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi е1 (Hukum Faraday). dt d N e1 =− 1. Φ dt t d N e maxsinω 1 1 Φ − = t N

e₁ =− ₁ω Φ_maxcosω (tertinggal 900dari Ф) ... (2.3) ) 90 sin( max 1 1 =N Φ wt− e ω

(27)

N1 = Jumlah belitan di sisi primer ω = Kecepatan sudut putar Φ = Fluks magnetik Harga efektif: 2 max 1 1 Φ = Nω E 2 2 _max 1 1 Φ = N f E π 2 14 , 3 2 _max 1 1 Φ = N x f E 2 28 , 6 _max 1 1 Φ = N f E max 1 1 =4,44N fΦ E (volt) ... (2.4) Dimana : E1 = Gaya geraqk listrik induksi (efektif)

f = Frekuensi

Bila rugi tahanan dan adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat hubungan:

a N N V V E E ₌ ₌ ₌ 2 1 2 1 2 1 _{... .(2.5)}

Dimana : E1 = GGL induksi di sisi primer (volt) E2 = GGL induksi di sisi sekunder (volt) V1 = Tegangan terminal di sisi primer (volt) V2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (volt) N1 = Jumlah belitan di sisi primer

(28)

a = Faktor transformasi

II.3.2. Keadaan transformator berbeban

Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban ZL, akan mengalir

arus I2 pada kumparan sekunder, dimana

L Z V I 2 2 = . φ1 φ2 V1 I1 N1 E1 E2 N2 I2 V2 _ZL φ , 2

Gambar 2.6 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:

'

2 0

1 I I

I = + (ampere) ... (2.6)

Bila komponen arus rugi inti (Ic) diabaikan, maka I0 = Im , sehingga: '

2

1 I I

I = _m+ (ampere) ... (2.7)

(29)

I0 = arus penguat Im = arus pemagnetan Ic = arus rugi-rugi inti

II.4. Rangkaian Ekivalen Transformator

Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im tidak seluruhnya merupakan Fluks Bersama (ФM), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (Ф1) atau mencakup kumparan sekunder (Ф2) saja dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X1 dan fluks bocor Ф2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R1 dan R2, dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti gambar 2.7

AC

I

1 R1 X1

I

2

'

I0 Im

I

_c N1 N2

I

2 R2 X2

Z

L Xm Rc

Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sebuah transformator V1= I1R1+I1X1+E1

E1= aE2

E2= I2R2+I2X2+V2 I2= aI’2

(30)

V1= I1R1+I1X1+aI2R2+aI2X2+aV2 V1= I1R1+I1X1+a(aI’2R2)+a(aI’2X2)+aV2 V1= I1R1+I1X1+a2I’2R2+a2I’2X2+aV2

V1= I1R1+I1X1+I’2(a2R2+a2X2)+aV2 ... (2.8)

Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a2, dimana a = E1/E2. Sekarang model

rangkaian menjadi sebagai terlihat pada gambar berikut.

AC I1 R1 X1 I2' I0 Im I_c Xm Rc a2R2 a2X2 a2Z aV2

Gambar 2.8 Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator

Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti gambar dibawah ini.

AC I₁ _I’ 2 R₁ X₁ a2_R 2 a2R2 a2_Z 2 aV₂ I_m R_c I_c X_m

Gambar 2.9 Parameter sekunder pada rangkaian primer Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut :

(31)

Rek = R1 + a2R2 (ohm)...(2.9) Xek = X1 + a2X2 (ohm)...(2.10)

Sehingga rangkaian di atas dapat diubah seperti gambar di bawah ini :

AC I 1 R ek X ek I0 Im Xm Rc I c I₂'

a

2Z aV 2

Gambar 2.10 Hasil akhir penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) Rc, Xm, Rek dan Xek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.

II.4.1. Pengukuran beban nol

Rangkaian pengukuran beban nol atau tanpa beban dari suatu transformator dapat ditunjukkan pada gambar 2.11. Umumnya untuk pengukuran beban nol semua instrumen ukur diletakkan di sisi tegangan rendah (walaupun instrumen ukur terkadang diletakkan di sisi tegangan tinggi), dengan maksud agar besaran yang diukur cukup besar untuk dibaca dengan mudah.

(32)

Gambar 2.11 Rangkaian pengukuran beban nol

Dalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer di hubungkan dengan sumber tegangan V1, maka akan mengalir arus penguat I0. Dengan pengukuran daya yang masuk (P0), arus penguat I0 dan tegangan V1 maka akan diperoleh harga:

0 2 1 P V R_c = ... (2.11) m c c m jX R R jX I V Z + = = 0 1 0 ... (2.12)

Dimana : Z0 = impedansi beban nol Rc = tahanan beban nol Xm = reaktansi beban nol

Dengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm. Rangkaian ekivalen dari pengukuran beban nol dapat dilihat pada gambar 2.12. di bawah ini. Dari gambar rangkaian ekivalen tersebut dapat kita lihat bahwa:

m c

ex I I

I

(33)

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen pengukuran beban nol

II.4.2. Pengukuran hubung singkat

Hubungan singkat berarti impedansi beban ZL diperkecil menjadi nol, sehingga hanya impedansi Zek = Rek + j Xek yang membatasi arus.

Karena harga Rek dan Xek ini relatif kecil maka harus dijaga agar tegangan masuk (Vsc) cukup kecil, sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga Iex akan relatif sangat kecil bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan.

AC V

A W

N1 N2 A

(34)

I sc R ek X ek

V sc

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen pengukuran hubung singkat

Dengan mengukur tegangan Vsc, arus Isc dan daya Psc, akan dapat dihitung parameter: 2 ) ( sc sc ek I P R = (ohm) ... (2.13) ek ek sc sc ek R jX I V Z = = + (ohm) ... (2.14) (ohm) ... (2.15) II.5 DIAGRAM VEKTOR BEBAN PADA TRANSFORMATOR

Yang dimaksud dengan diagram vektor disini adalah, penggambaran hubungan antara fluks magnet, tegangan dan arus yang mengalir dalam bentuk vektor.

Hubungan yang terdapat di antara harga-harga tersebut akan tergantung pada sifat beban, impedansi lilitan primer dan sekunder serta rugi-rugi transformator.

II.5.1 Hubungan Tanpa Beban

Apabila transformator tidak dibebani, arus yang mengalir dalam transformator hanyalah arus pemagnetan ( Io ) saja.

(35)

1. Fluks magnet ( Φo ) sephasa dengan arus primer tanpa beban ( Io ) dan ketinggalan 90o terhadap tegangan sumber ( V1 ).

2. Gaya gerak listrik induksi pada primer ( E1 ) besarnya sama, tetapi berbeda phasa 180o terhadap tegangan sumber ( V1 ).

3. Gaya gerak listrik induksi pada sekunder ( E2 ) = a E1 , ketinggalan 90o terhadap fluks magnet (Φo ).

Dalam penggambaran, V1 = - E1, dengan menganggap :

1. Rugi - rugi karena arus pusar dan rugi – rugi hysterisis di dalam inti besi tidak ada.

2. Rugi – rugi tahanan pada kawat tembaga tidak ada.

3. Fluks bocor pada kumparan primer maupun sekunder tidak ada.

Karena transformator tidaklah mungkin ideal, maka rugi – rugi yang ada harus diperhitungkan yaitu :

1. Arus primer tanpa beban ( Io ) sephasa dengan fluks magnet (Φo ), sebenarnya mendahului sebesar φe sehingga arus primer tanpa beban dapat diuraikan atas dua komponen, yaitu :

Io = Im + Ih + e ……….( 2.16 )

2. Besarnya ggl induksi E1 tidak lagi sama dengan V1, tetapi harus diperhitungkan terhadap penurunan tegangan karena adanya impedansi kumparan primer Z1 , sehingga diperoleh hubungan :

V1 = ( -E1 ) + Io ( R1 + jX1 ) ... (2.17 ) Dimana : R1 : tahanan kumparan primer

(36)

Gambar 2.15 Diagram vektor transformator ideal tanpa beban

Φo E1 Io Im 0 E2 V1 Ih + e φo IoR1 -E1 IoX1

Gambar 2.16 Diagram vektor transformator tak ideal tanpa beban II.5.2 Transformator Berbeban

II.4.5.1 Beban Tahanan Murni

Pada kumparan sekunder transformator terdapat R2 dan X2. Bila kumparan sekunder dihubungkan dengan tahanan murni R, maka dalam kumparan sekunder mengalir arus sebesar I2. Arus ini akan berbeda phasa sebesar φ2 terhadap E2 akibat adanya reaktansi kumparan sekunder ( X2 ).

(37)

Gambar 2.17 Transformator berbeban tahanan murni Dari gambar 2.17 diatas didapat

(

)

(

)

[

2 2

]

2 2 2 2 2 2 2 2 jX R R I E V R jX R I E V L L + + − = + + − = ... ( 2.18 ) L R R X tg + = 2 2 2 ϕ ... ( 2.19)

Untuk melukiskan diagram vektornya, maka diambil E2 sebagai dasarnya. Didapat harga E1 = a E2 Φo Im E1 E2 I2X2 I2 ( R2 + RL ) φ2 V2 Ih + e Io -I2 I1 φ1 -E1 I1R1 I1X1 V1

Gambar 2.18 Vektor diagram Transformator berbeban tahanan murni

(38)

Apabila transformator berbeban induktif, berarti pada sekunder transformator terdapat R2 + jX2 dan RL + jXL. Dengan adanya harga-harga tersebut akan menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan Es sebesar θ2. Dimana

L L R R X X tg + + = 2 2 2 θ ... ( 2.20)

Dan dengan adanya harga-harga tersebut diatas juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2sebesar φ2, dimana

L L

R X

tgϕ₂ = ... (2.21 )

Oleh karena beban induktif, maka I2 ketinggalan terhadap E2. Dengan mengambil E2 sebagai dasar melukiskan diagram vektor dan harga E1 = a E2 , maka diagram vektor dapat dilukiskan sebagai berikut :

Φo Im E1 E2 I2X2 φ2 I2 Ih + e Io -I2 I1 φ1 -E1 I1R1 I1X1 V1 θ2 V2 _I 2R2 I2XL I2RL

Gambar 2.19 Vektor diagram Transformator berbeban induktif

(39)

Dengan adanya beban kapasitif pada transformator menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan E2 sebesar θ2.

L L R R X X tg + − = 2 2 2 θ ... ( 2.22 )

Dan juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2sebesar φ2.

L L R X tgϕ₂ = − ... ( 2.23 ) Φo Im E1 E2 I2X2 φ2 I2 Ih + e Io -I2 I1 φ1 -E1 I1R1 I1X1 V1 θ2 V2 I2R2 I2XL I2RL φo

Gambar 2.20 Vektor diagram Transformator berbeban kapasitif

II.6 TRANSFORMATOR TIGA FASA II.6.1 UMUM

Tiga transformator berfasa satu dapat dihubungkan untuk membentuk bank-3 fasa (susunan 3 fasa = 3 phase bank) dengan salah satu cara dari berbagai cara menghubungkan belitan transformator. Pada tiga buah transformator satu fasa yang dipakai sebagai transformator tiga fasa setiap kumparan primer dari satu

(40)

transformator dijodohkan dengan kumparan sekundernya. Hendaknya dicatat bahwa pada transformator tiga fasa ini besar tegangan antar fasa (VL-L) dan daya transformator (KVA) tidak tergantung dari hubungan belitannya. Akan tetapi tegangan fasa netral (VL-N) serta arus dari masing-masing transformator tergantung pada hubungan belitannya.

Ada beberapa jenis hubungan belitan yang terdapat pada transformator tiga fasa ini. Hubungan Y-Δ biasa digunakan untuk menurunkan tegangan, dari tegangan tinggi ke tegangan menengah atau rendah. Satu diantara alasannya adalah karena dengan menggunakan hubungan belitan ini untuk membumikan dari sisi tegangan tinggi telah tersedia saluran netral. Dapat dibuktikan bahwa hubungan belitan ini adalah hubungan yang paling banyak dipergunakan di lapangan.

Sebaliknya hubungan Δ-Y biasa digunakan untuk menaikkan tegangan, dari tegangan rendah ke tegangan menengah, atau dari tegangan menengah ke tegangan tinggi. Hal ini juga bertujuan sama, agar pada sisi tegangan tingginya apabila akan dibumikan telah tersedia saluran netralnya.

Hubungan Δ-Δ adalah salah satu jenis hubungan belitan yang istimewa. Keuntungannya yaitu salah satu kaki transformator dapat dipindahkan apabila terjadi kerusakan atau apabila akan dilakukan perawatan, sementara dua yang tertinggal dapat terus beroperasi sebagai bank-3 fasa dengan rating KVA yang turun sampai dengan 57,7% dari bank yang asli. Hubungan ini dikenal sebagai hubungan belitan Open-Delta. Hubungan Y-Y paling jarang digunakan karena kesukaran dalam gejala arus penalaan dan harmonisa.

(41)

II.6.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR TIGA FASA DENGAN MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA

Untuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan diperlihatkan pada gambar 2.21 dan 2.22 berikut ini.

SEKUNDER PRIMER

(42)

ΦΦΦΦΦΦ

a q r c m n b d PRIMER SEKUNDER TRAFO TIGA FASA TIPE CANGKANG

Gambar 2.22 Transformator 3 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.

(43)

Kebanyakan fluks terkurung dalam inti dan karena itu dirangkum oleh kedua kumparan. Meskipun fluks bocor yang dirangkum salah satu kumparan tanpa dirangkum yang lain merupakan bagian kecil dari fluks total, ia mempunyai pengaruh penting pada perilaku transformator. Kebocoran dapat dikurangi dengan membagi-bagi kumparan dalam bagian-bagian yang diletakkan sedekat mungkin satu sama lainnya. Dalam konstruksi jenis inti (core type), tiap kumparan dari dua bagian, satu bagian pada setiap kaki dari kedua kaki inti. Kumparan primer dan sekunder merupakan kumparan yang konsentris. Dalam konstruksi janis cangkang (shell type) berbagai variasi susunan kumparan konsentris dapat digunakan atau kumparan dapat terdiri dari sejumlah “apem” (pancake) tipis disusun dalam satu tumpukan dengan kumparan primer dan sekunder berselang-seling.

II.6.3 HUBUNGAN TIGA FASA DALAM TRANSFORMATOR

Secara umum hubungan belitan tiga fasa terbagi atas dua jenis, yaitu hubungan wye (Y) dan hubungan delta (Δ). Masing-masing hubungan belitan ini memiliki karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda, selanjutnya akan dijelaskan dibawah. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta. Kedua hubungan ini dapat dijelaskan secara terpisah, yaitu :

1. Hubungan wye (Y)

Hubungan ini dapat dilakukan dengan menggabungkan ketiga belitan transformator yang memiliki rating yang sama.

(44)

Gambar 2.23 Hubungan Wye Dari gambar diatas dapat diketahui sebagai berikut,

IA = IB = IC = IL-L (ampere)………( 2.24 ) IL-L = Iph (ampere)..………..……...( 2.25 ) Dimana : IL-L = Arus line to line

Iph = Arus line to netral Dan,

VAB = VBC = VCA = VL-L (volt

VL-L = √3 Vph = √3 E1 (volt)...………...(2.26) Dimana : VL-L = Tegangan line to line

Vph = Tegangan line to netral 2. Hubungan delta (Δ)

Hubungan delta ini juga mempunyai tiga buah belitan dan masing-masing memiliki rating yang sama.

(45)

Gambar 2.24 Hubungan Delta Dari gambar diatas dapat kita ketahui sebagai berikut,

IA = IB = IC = IL-L (ampere)……….….…...( 2.27 ) IL-L = √3 Iph (ampere)...……….…...( 2.28 ) Dimana : IL-L = Arus line to line

Iph = Arus line to netral Dan,

VAB = VBC = VCA = VL-L (volt)………...…( 2.29 ) VL-L = Vph = E1 (volt)....………..……( 2.30 ) Dimana : VL-L = Tegangan line to line

Vph = Tegangan line to netral

Dengan menetapkan/ mengambil sebuah tegangan referensi dan sudut fasa nol, maka dapa ditentukan sudut phasa yang lainnya pada sistem tiga fasa tersebut.

II.6.4 JENIS-JENIS HUBUNGAN BELITAN TRANSFORMATOR TIGA FASA

(46)

Dalam sistem tenaga listrik transformator tiga phasa digunakan karena pertimbangan ekonomis dan efisien. Pada transformator tiga phasa terdapat dua hubungan belitan utama yaitu hubungan delta dan hubungan bintang. Dan ada empat kemungkinan lain hubungan transformator tiga phasa yaitu :

1. Hubungan Wye-Wye ( Y-Y )

Hubunangan ini ekonomis digunakan untuk melayani beban yang kecil dengan tengangan transformasi yang tinggi. Hubungan Y-Y pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.25 berikut ini.

. . . . . . + + + -a a' b b' c c' N_p1 N_s1 N_s2 N_s3 N_p2 N_p3 V_LP _V LS V_Φp V_Φs

Gambar 2.25 Transformator Hubungan Y-Y

Pada hubungan Y-Y , tegangan primer pada masing-masing phasa adalah 3

/ V =

V_φ_P _LP ………..( 2.31)

Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah: a = V 3 V 3 = V V S φ P φ LS LP ……….…..( 2.32 )

(47)

Pada hubungan Y-Y ini jika beban transformator tidak seimbang maka tegangan pada phasa transformator tidak seimbang.

2. Hubungan Wye-Delta ( Y-Δ )

Digunakan sebagai penurun tegangan untuk sistem teganagan tinggi. Hubungan Y-Δ pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 3.6 berikut ini. . . . . . . a a' b b' c c' N_p1 N_s1 N_s2 N_s3 N_p2 N_p3 V_LP _V LS V_Φp V_Φs

Gambar 2.26 Transformator Hubungan Y- Δ

Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer V_LP = 3V_φ_P dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan phasa VLS = VΦS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan ini adalah sebagai berikut :

a 3 = V V 3 = V V S φ P φ LS LP ………( 2.33 )

Hubungan ini lebih stabil dan tidak ada masalah dengan beban tidak seimbang dan harmonisa.

(48)

3. Hubungan Delta – Wye (Δ – Y )

Umumnya digunakan untuk menaikkan tegangan dari tegangan pembangkitan ke tegangan transmisi. Hubungan Δ – Y pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 3.7 dibawah ini.

V_LS . . . . . . + + -a a' b b' c c' N_p1 N_s1 N_s2 N_s3 N_p2 N_p3 V_LP _V Φp V_Φs

-Gambar 2.27 Transformator hubungan Δ – Y

Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa primer VLP = VΦP dan tegangan sisi sekunder VLS = 3VφS. Maka perbandingan

tegangan pada hubungan ini adalah :

a 3 = V 3 V = V V S φ P φ LS LP ………..….( 2.34 )

Hubungan ini memberikan keuntungan yang sama dan beda phasa yang sama seperti pada hubungan Y- Δ.

(49)

Hubungan ini ekonomis digunakan untuk melayani beban yang besar dengan tegangan pelayanan yang rendah. Hubungan Δ–Δ ini pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 2.28 berikut :

VLS . . . . . . + + -a a' b _b' c c' N_p1 N_s1 Ns2 N_s3 Np2 N_p3 V_LP V_Φp V_Φs

-Gambar 2.28 Transformator hubungan Δ – Δ

Salah satu keuntungan pemakaian transformator tiga fasa hubungan Δ–Δ adalah perbedaan phasa pada hubungan ini tidak ada dan stabil terhadap beban tidak seimbang dan harmonisa. Selain itu keuntungan lain yang dapat diambil adalah apabila transformator ini mengalami gangguan pada salah satu belitannya maka transformator ini dapat terus bekerja melayani beban walaupun hanya menggunakan dua buah belitan saja. Hubungan belitan yang dimaksud adalah hubungan belitan Open-Delta. Mengenai hubungan belitan Open-Delta ini selanjutnya akan dijelaskan pada bab ini.

Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat dan tegangan phasa sama untuk primer dan sekunder transformator VAB = VBC = VAC = VLN. Maka hubungan tegangan primer dan sekunder transformator adalah sebagai berikut :

(50)

VAB = VBC = VAC (volt) ...( 2.36 ) Dimana : VL-L = Tegangan line to line

VL-N = Tegangan line to netral

Sedangkan arus pada transformator tiga fasa hubungan delta dapat dituliskan sebagai berikut :

IL-L = 3 IL-N (ampere)...( 2.37 ) Dimana : IL-L = Arus line to line

(51)

BAB III

TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR

III.1 UMUM

Trasformator tiga fasa hububngan open delta adalah transformator tig fasa dengan dua kumparan atau transformator bank tiga fasa yang terdiri dari dua buah transformator satu fasa. Hubungan belitan open delta erat kaitannya dengan hubungan belitan delta karena hubungan belitan open delta merupakan modifikasi dari hubungan belitan delta yang dilakukan jika salah satu belitannya mengalami kerusakan atau tidak dapat melayani beban, maka sisa dua belitan lainnya dapat dioperasikan untuk menyalurkan daya, yang dikenal dengan nama Transformator Open-Delta A B C a b c A B C a b c

(52)

Gambar 3.1. Transformator Hubungan Delta

A

B

C

a

b

c

Gambar 3.2. Transformator Hubungan Open-Delta

Sekalipun besar daya yang dapat dilayani harus dikurangi beberapa persen dari rating KVA transformator tiga fasa hubungan delta-nya, hubungan belitan ini mempunyai peranan yang sangat penting dalam pengiriman daya ke beban agar kontinuitas beban diperoleh dengan baik untuk sementara sehingga sistem bekerja terus menerus sampai ada perbaikan atau pergantian yang baru.

III.2 PEMAKAIAN TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

Pemakaian transformator tiga fasa hubungan Open-Delta umumnya hanya dipergunakan untuk sementara. Yaitu apabila transformator yang mengalami kerusakan tersebut akan diperbaiki atau diganti dengan transformator yang baru.

A B

a b c

(53)

Disamping bersifat sementara (temporer) transformator ini dapat juga bekerja secara permanen.

1. Temporer

Telah kita ketahui bahwa pada beberapa industri sangat diperlukan kontinuitas daya yang baik. Tetapi apabila salah satu belitan dari transformator tiga fasa ini mengalami gangguan dan menyebabkan kedua belitan yang lainnya bekerja tidak seimbang sehingga fasa-fasa yang tadinya stabil menjadi tidak stabil. Hal ini menyebabkan pengiriman daya terganggu dan kerugian yang sangat besar akan dialami oleh konsumen. Dengan demikian hubungan belitan Open-Delta memegang peranan penting dalam kejadian ini. Pada kejadian ini perubahan belitan pada inti tidak perlu dilakukan untuk mengurangi lekage impedance untuk memperoleh sistem lebih seimbang. Hubungan ini dapat dipakai sementara sebelum adanya pergantian transformator baru atau perbaikan belitan yang rusak apabila memungkinkan.

2. Permanen

Pada suatu industri yang besar biasanya ada menggunakan penerangan-penerangan dan motor-motor kecil untuk dapat menggerakkan peralatan-peralatan industri yang tersendiri, misalnya pemompaan minyak. Transformator hubungan Open-Delta ini cukup mampu untuk pengiriman daya yang dibuat khusus, karena industri itu cukup mempunyai tenaga teknis untuk itu dan dipandang lebih ekonomis jika dibandingkan dengan pemakaian transformator tiga fasa. Keuntungan yang paling besar adalah sistem dapat lebih seimbang kalau dibandingkan dengan tidak dibuat satu transformator khusus untuk melayani beban ini, sebab belitan konduktor

(54)

pada inti dapat dibuat sehingga leakage impedance menjadi lebih kecil dan akhirnya dapat mendekati keseimbangan seperti transformator tiga fasa.

Disamping hal-hal diatas hubungan open delta juga dilakukan jika beban yang dilayani sekarang terlalu kecil dibandingkan dengan kapasitas transformatornya, tetapi perlu diantisipasi pertumbuhan beban dimasa yang akan datang.

III.3 TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA DALAM KEADAAN BERBEBAN.

III.3.1 Jenis-jenis Beban III.3.1.1 Resistansi

Pada unsur beban ini tegangan antara kutub-kutubnya berbanding lurus dengan arus yang melaluinya. Secara kuantitatif, tegangan diberikan oleh :

V = R i ... ( 3.1 )

Persamaan ini dikenal sebagai hukum Ohm. Benda fisis yang ciri utamanya resistansi disebut resistor. Grafik v dan i dapat diperlihatkan pada Gambar 3.3 dibawah.Dimana Grafik ini berupa sepotong garis lurus melalui titik asal dengan kemringan R. Karena R merupakan konstanta maka resistor seperti ini disebut

(55)

Grafik 3.3 Perwakilan grafik untuk hukum ohm

Resistor yang resistansinya tidak tetap konstan untuk berbagai arus yang berbeda dikenal sebagai resistor tidak liniear. Resistansi dari resistor semacam itu merupakan fungsi arus yang mengalir didalamnya. Salah satu contoh sederhana dari resistor ini adalah lampu pijar. Contoh karakteristik tegangan – arus untuk resistor tidak liniear dapat diperlihatkan pada Gambar. 3.2, dimana tampak bahwa grafiknya bukan lagi merupakan sepotong garis lurus karena R tidak konstan.

I Ampere V

Volt

Gambar 3.4 Grafik resistor tidak liniear

Parameter resistansi pada dasarnya merupakan suatu konstanta geometri. Ohm menunjukkan bahwa resistansi suatu penghantar dengan dimensi yang seragam

(56)

berbanding lurus dengan panjangnya, berbanding terbalik dengan luas penampangnya, dan bergantung pada sifat penghantaran fisis bahannya. Jadi

A l

R = ρ ... ( 3.2 )

Dengan ρ adalah resistifitas bahan yang dinyatakan dalam ohm-meter, l sebagai panjang penghantar dalam meter, dan A sebagai luas penampangnya dalam meter kuadrat.

Daya yang dipergunakan dalam rangkaian listrik dapat diperoleh dari tegangan dan arusnya. Karena menurut definisi v = dw / dq dan i = dq / dt , maka daya adalah :

………...…..( 3.3 )

Dalam resistansi, sesuai dengan persamaan 3.1

P = v i = ( R i ) i = i2 R = ……..……...….( 3.4 )

III.3.1.2 Induktansi

Pada induktor tegangan antara kutub-kutubnya sebanding dengan kecepatan perubahan arus yang melaluinya. Secara kuantitatif, tegangan tersebut adalah

dt di L v = ... (3.5 ) dt v L i = 1∫ ... ( 3.6 )

Persamaan diatas menunjukkan bahwa arus dalam induktor tidak bergantung pada nilai sesaat tegangannya, melainkan pada nilai sejak awal hingga saat tegangan

(57)

diamati, yaitu integral atau jumlah hasil kali volt detik untuk seluruh waktu hingga saat diamati.

Suatu induktor linier adalah induktor yang parameter induktansinya tidak bergantung pada arusnya. Sebagaimana diuraikan diatas, induktansi berhubungan erat dengan medan magnet, induktor merupakan suatu unsur rangkaian yang dapat menyimpan daya dalam bentuk medan fluks magnet. Pada saat arus mengalir melalui suatu induktor, arus itu menimbulkan fluks ruang. Bila fluks itu menembus udara, ia akan menimbulkan suatu kesebandingan antara arus dengan fluks tersebut sehingga parameter induktansi tetap konstan untuk setiap nilai arus. Selisih potensial antara kumparan sebagai fungsi waktu dapat ditunjukkan pada Gambar 3.5

Kemiringan = L

V

-V

di dt

Gambar 3.5 Grafik parameter induktansi L

Bila fluks dibuat agar menembus besi, timbul gangguan terhadap kesebandingan hubungan antara arus dengan fluks yang dihasilkannya. Dalam hal itu induktor dikatakan tak linier.

(58)

∫

=

∫

=

∫

= = 2 2 1 i L di i L dt dt di i L dt p w joule ... ( 3.8 )

Tidak seperti daya dalam resitansi yang berubah menjadi panas, daya induktif disimpan dalam medan magnet yang akan muncul kembali dalam rangkaian pada saat arus menjadi nol.

Tegangan jatuh antara kutub suatu induktor dapat dinyatakan menurut persamaan ( 3.5 ), tetapi tegangan jatuh yang sama dapat diturunkan menurut hukum Faraday melalui fluks yang dihasilkan arus dan banyaknya lilitan N pada kumparan induktor. Sesuai dengan hal itu, dapatlah ditulis

dt d N dt di L v= = φ ... ( 3.9 ) dt d N L= φ ... ( 3.10 )

Dalam hal ini fluks Φ berbanding lurus dengan arus ( yaitu dalam induktor linier), persamaan terakhir ini menjadi :

i N

L= φ ... ( 3.11 )

Disini parameter induktansi mempunyai pernyataan gabungan karena sebagian dinyatakan dalam variabel rangkaian i dan sebagian lagi dalam variabel medan fluks. Untuk menghindari hal tersebut fluks dapat digantikan oleh pernyataan setaranya, yaitu

(59)

ggm adalah gaya gerak magnet yang menghasilkan fluks Φ dalam rangkaian magnet yang mempunyai reluktansi ℜ .Gambar 3.4 memperlihatkan sebuah inductor liniear dengan inti besi. Jika inti besi diandaikan mempunyai panjang menengah/meter dengan luas penampang A meter2 , maka reluktansi magnetnya sama dengan

A l µ = ℜ ... ( 3.13 ) N

Gambar. 3.6 Induktor liniear dengan inti besi

Dengan memasukkan persamaan ( 3.12 ) dan ( 3.13 ) kedalam persamaan ( 3.11 ) akan dihasilkan persamaan induktansi untuk induktor liniear :

l A N L µ 2 = ... ( 3.14 )

Seperti halnya dengan resistansi, induktansi juga bergantung pada geometri dimensi fisis dan sifat magnet mediumnya. Hal ini penting karena ia menyatakan apa yang dapat dilakukan untuk mengubah nilai L tersebut. Jadi untuk induktor yang meliliti sebuah inti besi, parameter induktansinya dapat dinaikkan nilainya dengan empat cara : memperbanyak lilitannya, menggunakan inti besi dengan permiabilitas yang lebih tinggi, mengurangi panjang intinya, dan memperbesar luas penampang intinya.

(60)

III.3.1.3 Kapasitansi

Pada kapasitor arus yang melaluinya sebanding dengan turunan waktu tegangan antara kutub-kutubnya. Secara kuantitatif, arus tersebut adalah

dt dv C

i= ... ( 3.15 )

Tegangan unsur tersebut dapat diturunkan dari persamaan 3.17 diatas sebagai

∫

= idt C

v 1 ... ( 3.16 )

Tegangan jatuh pada arah arusnya dinyatakan oleh v. Bila induktansi melawan perubahan arus, kapasitansi menentang perubahan tegangan. Daya yang berhubungan dengan pengaruh kapasitansi adalah

dt dv Cv vi p= = ... ( 3.17 ) Dan