Peningkatan Rugi-Rugi Transformator Daya Akibat Pembebanan Non-Linier

133

Peningkatan Rugi-Rugi Transformator Daya Akibat Pembebanan

Non-Linier

I Made Wiwit Kastawan

＊a)

Abstrak:Tulisan ini mengkaji rugi-rugi dan efisiensi pada transformator daya tiga-fasa yangdiakibatkan oleh pembebanan non-linier. Dengan mengetahui rugi-rugi transformator daya pada dua kondisi pembebanan berbeda yaitu linier dan non-linier maka dapat ditentukan perbandingan rugi-rugi dayanya. Beban linier yang digunakan adalah beban resistif sementara beban non-linier yang digunakan adalah sebuah konverter ac/dc gelombang penuh tiga-fasa dan tiga buah konverter ac/dc gelombang penuh satu-fasa dengan filter kapasitor. Hasil uji laboratorium menunjukkan rugi-rugi daya yang lebih besar dan efisiensi yang lebih rendah diperoleh untuk kondisi pembebanan non-linier.Semakin tinggi kandungan harmonisa beban non-linier, semakin besar rugi-rugi daya transformator serta semakin rendah efisiensinya.Kajian lebih jauh menunjukkan bahwa berkurangnya efisiensi pada kondisi pembebanan linier lebih cenderung diakibatkan oleh bertambahnya rugi-rugi belitan dengan rugi-rugi inti konstan.Sementara itu, berkurangnya efisiensi transformator daya pada kondisipembebanan non-linier diakibatkan oleh pertambahan rugi-rugi belitan serta pertambahan signifikan dari rugi-rugi intinya.

Kata-kata kunci : beban, efisiensi, linier, non-linier, rugi-rugi, transformator.

1. Pendahuluan

Saat ini penggunaan beban listrik non-linier dapat dengan mudah dijumpai. Hampir di setiap rumah tangga atau gedung perkantoran dapat dijumpai peralatan switch mode power supply (SMPS) sebagai catu daya komputer, telepon genggam atau peralatan elektronik lainnya. Sementara itu, peralatan variable speed drive (VSD) umum digunakan sebagai penggerak motor listrik di sektor industri (ban berjalan, pompa, kompresor, dan lain-lain) atau sebagai penggerak motor listrik di sektor komersial (tangga berjalan/escalator dan lift) [5],[7]. Peralatan-peralatan ini digolongkan sebagai beban non-linier karena menarik arus non-sinusoidal dari sumber tegangan sinusoidal. Dengan kata lain, tegangan dan arus memiliki relasi yang tidak linier/proporsional. Hal ini terjadi karena peralatan tersebut pada umumnya menggunakan konverter daya ac/dc di sisi yang terhubung ke sumber tegangan (sisi sumber) yang proses penyaklarannya akan menghasilkan gelombang arus sumber non-sinusoidal dengan kandungan harmonisa tinggi [1]. Kandungan harmonisa arus yang tinggi selanjutnya dapat mengakibatkan berbagai dampak buruk terhadap jaringan daya listrik dan peralatan-peralatan di dalamnya seperti meningkatnya rugi-rugi daya yang berdampak lebih lanjut pada peningkatan temperatur kerja, operasi peralatan yang tidak semestinya atau bahkan kegagalan operasi dari peralatan-peralatan yang terhubung pada jaringan daya listrik tersebut [4],[6].

Transformator daya tiga-fasa merupakan peralatan yang banyak digunakan pada jaringan daya listrik. Selain berfungsi untuk meneruskan penyaluran daya listrik dari sumber ke beban, transformator daya digunakan juga untuk

menyetarakan level tegangan sumber dan beban karena adakalanya beban memiliki tegangan kerja yang tidak sama dengan tegangan dari sumber yang ada. Sebagai salah satu peralatan utama pada jaringan daya listrik maka unjuk kerja transformator daya akan dipengaruhi oleh kondisi tegangan dan arus pada jaringan daya listrik tersebut. Jika beban yang terhubung pada suatu jaringan daya listrik merupakan beban non-linier maka gelombang harmonisa arus yang dibangkitkannya akan berdampak langsung terhadap unjuk kerja transformator daya yang menghubungkan beban non-linier tersebut ke sumber daya listrik. Unjuk kerja transformator daya saat melayani beban non-linier akan berbeda dengan saat melayani beban linier dimana tidak ada gelombang harmonisa arus yang terbangkitkan. Dalam tulisan ini akan dibahas pengaruh dari gelombang harmonisa arus yang dibangkitkan oleh beban non-linier terhadap unjuk kerja transformator daya tiga-fasa khususnya pada aspek rugi-rugi daya dan efisiensinya.

2. Landasan Teori

2.1 Rugi-Rugi Daya dan Efisiensi Transformator

Transformator daya tiga-fasa pada dasarnya merupakan konstruksi dari tiga buah transformator daya satu-fasa sehingga kajian terhadap transformator daya tiga-fasa ini lazim dilakukan melalui rangkaian ekivalen per-fasa (rangkaian ekivalen satu-fasa).Gambar 1 menampilkan rangkaian ekivalen per-fasa dari sebuah transformator daya.Belitan primer dan sekundernya masing-masing dimodelkan sebagai penghantar yang memiliki resistansi R1 dan R2 serta reaktansi X1 dan X2. Resistansi, R, menggambarkan rugi-rugi daya sementara reaktansi, X, menggambarkan jatuh tegangan akibat fluksi bocor dari masing-masing belitan transformator. Perlu diperhatikan bahwa resistansi, reaktansi, tegangan serta arus yang

＊ _{Korespondensi: wiwit.kastawan@polban.ac.id}

mengalir di belitan sekunder (sisi beban) telah dipindahkan menjadi nilai ekivalen di belitan primer (sisi sumber) dengan menggunakan rasio transformasi (a) yang dirumuskan sebagai:

𝑎 =𝑁_𝑁 ≈𝑉_𝑉...(1) sehingga

𝑅2′ = 𝑎2𝑅2,𝑋2′ = 𝑎2𝑋2, 𝐼2′=𝐼_𝑎dan 𝑉2′= 𝑎𝑉2...(2)

Bagian inti transformator daya dimodelkan sebagai resistansi, RC, paralel dengan reaktansi, XC.Resistansi, RC, menggambarkan rugi-rugi daya pada inti sebagai akibat aliran fluksi magnet yang terdiri dari rugi-rugi histerisis dan rugi-rugi arus pusar. Reaktansi, XC, menggambarkan fluksi magnet yang membangkitkan gaya gerak listrik (ggl, E) induksi pada belitan-belitan transformator.

Gambar 1. Rangkaian Ekivalen Per-fasa Transformator daya [4].

Nilai dari resistansi dan reaktansi belitan (parameter belitan) serta resistansi dan reaktansi inti (parameter inti) dapat diperoleh melalui uji hubung terbuka/beban nol (open circuit (OC) atau no-loadtest) dan uji hubung singkat (short circuit (SC) test). Gambar 2 menunjukkan skema uji beban nol. Data yang diperoleh dari uji ini meliputi tegangan beban nol (VOC) yang diukur dengan voltmeter (V), arus beban nol (IOC) yang diukur dengan amperemeter (A) dan daya aktif beban nol (POC) yang diukur dengan wattmeter (W).Resistansi inti (RC) dan reaktansi inti (XC) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

𝑅𝐶 =_𝐼 𝑉 _{cos 𝜃}...(3)

𝑋𝐶 =_𝐼 𝑉 _{cos 𝜃}...(4)

dengancos 𝜃 = 𝑃

𝑉 𝐼 dan sin 𝜃 =

√(𝑉 𝐼 ) −(𝑃 )

𝑉 𝐼 .

Gambar 2. Uji beban nol untuk menentukan parameter inti transformator daya [2].

Sementara itu rangkaian uji hubung singkat ditunjukkan oleh Gambar 3. Data yang diperoleh dari uji ini meliputi tegangan hubung singkat (VSC) yang diukur dengan voltmeter (V), arus hubung singkat (ISC) yang diukur dengan amperemeter (A) dan daya aktif hubung singkat (PSC) yang diukur dengan wattmeter (W). Resistansi belitan

(Re) dan reaktansi belitan (Xe) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

𝑅𝑒=_(𝐼𝑃 ₎ ...(5)

𝑋𝑒= √(𝑍𝑒)2− (𝑅𝑒)2...(6)

dengan 𝑍_𝑒=𝑉

𝐼 .

Gambar 3. Uji hubung singkat untuk menentukan parameter belitan transformator daya [2].

Untuk kondisi pembebanan linier, rugi-rugi inti transformator (Pinti) bersifat konstan (tidak dipengaruhi beban) sehingga nilainya dapat ditentukan dari hasil uji beban nol. Namun untuk kondisi pembebanan non-linier nilainya diperkirakan akan dipengaruhi oleh beban. Sementara itu, rugi-rugi belitan transformator daya (Pbelitan) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini:

𝑃𝑏𝑒𝑙𝑖𝑡𝑎𝑛 = (𝐼2′)2(𝑅1+ 𝑅2′) = (𝐼2′)2𝑅𝑒𝑘...(7)

Terlihat bahwa rugi-rugi belitan transformator dipengaruhi oleh bebannya.Dengan demikianbeban linier dan non-linier akan menghasilkan nilai rugi-rugi belitan yang berbeda.

Efisiensi transformator dapat ditentukan secara langsung dengan membandingkan daya keluaran (Pout) dan daya masukannya (Pin) atau secara tidak langsung dengan menghitung daya masukan sebagai penjumlahan dari daya keluaran dan rugi-rugi. Jadi,

𝜂 = 𝑃

𝑃 +𝑃 +𝑃 ...(8)

Persamaan (8) di atas menunjukkan bahwa efisiensi transformator daya dipengaruhi oleh kondisi pembebanan. Oleh karenanya efisiensi transformator daya untuk beban linier dan non-linier akan berbeda.

2.2 Harmonisa Arus Oleh Beban Non-Linier

Dalam jaringan daya listrik, harmonisa arus umumnya muncul sebagai akibat penggunaan beban non-linier berupa konverter daya.Contohnya konverter ac/dc gelombang penuh tiga-fasa yang ditunjukkan oleh Gambar 4.Konverter ini banyak digunakan pada peralatan variable speed drive

gelombang penuh satu-fasa dengan filter kapasitor seperti ditunjukkan oleh Gambar 6. Konverter ini banyak digunakan pada peralatan switch mode power supply

(SMPS) untuk catu daya komputer, telepon genggam atau peralatan elektronik lainnya. Konverter ini akanmenghasilkan gelombang arus non-sinusoidal yang mengandung harmonisa orde ganjil ke-3, ke-5, ke-7 dan seterusnya seperti ditunjukkan oleh Gambar 7 (a) dan (b). Jika konverter ac/dc ini dipasang sebagai beban per-fasa dari suatu sistem tiga-fasa maka pada masing-masing fasanya akan mengalir gelombang arus non-sinusoidal dengan kandungan harmonisa yang sama.

R S

T

N vRN

vSN vTN iR

Gambar 4. Konverter ac/dc gelombang penuh tiga-fasa[1].

Gambar 5. (a) Gelombang arus yang dibangkitkan oleh konverter ac/dc gelombang penuh tiga-fasa. (b) Spektrum

harmonisanya.

vS iS

Gambar 6. Konverter ac/dc gelombang penuh satu-fasa dengan filter kapasitor [1].

Gambar 7. (a) Gelombang arus yang dibangkitkan oleh konverter ac/dc gelombang penuh satu-fasa dengan filter kapasitor. (b)

Spektrum harmonisanya.

Kandungan harmonisa pada gelombang arus periodik non-sinusoidal ditunjukkan oleh nilai persentase total harmonic distortion (%THD).Nilai persentase THD yang tinggi menunjukkan kandungan harmonisa yang tinggi. Gelombang arus periodik non-sinusoidal i(t) memiliki nilai efektif (rms) yang dirumuskan sebagai:

𝐼𝑟𝑚𝑠 = √(𝐼1𝑟𝑚𝑠)2+ (𝐼ℎ𝑟𝑚𝑠)2

𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝐼1𝑟𝑚𝑠√1 + 𝑇𝐻𝐷2...(9)

dimana indeks 1 menyatakan gelombang fundamental arus dan indeks h = 2,3,4,... menyatakan orde harmonisa arus yang muncul [3]. Persamaan (9) diatas menunjukkan bahwa gelombang arus periodik yang tidak memiliki kandungan harmonisa (THD = 0) akan memiliki nilai efektif arus yang sama dengan nilai efektif gelombang arus fundamental yang merupakan gelombang arus sinusoidal murni.

3. Uji Laboratorium dan Pembahasan

Untuk menelaah pengaruh harmonisa arus yang dibangkitkan oleh beban non-linier terhadap rugi-rugi dan efisiensi transformator daya tiga-fasa maka dilakukan beberapa langkah pengujian laboratorium berikut ini: a. Uji beban nol dan uji hubung singkatuntuk memperoleh

parameter inti dan belitan transformator. Rangkaian pengujiannya masing-masing telah ditunjukkan oleh Gambar 2 dan Gambar 3. Data uji yang diambil meliputi daya aktif (W), tegangan (V) dan arus (A).

b. Uji pembebanan linieruntuk mengetahui rugi-rugi dan efisiensi transformator daya tiga-fasa yang dibebani dengan beban linier resistif. Rangkaian pengujiannya ditunjukkan oleh Gambar 8. Data uji yang diambil adalah daya aktif (W), tegangan (V) dan arus (A) untuk sisi primer (masukan/sumber) dan sisi sekunder (keluaran/beban) transformator daya tiga-fasa.

rangkaian yang ditunjukkan oleh Gambar 8 tetapi bebannya diganti dengan beban non-linier tersebut di atas. Data uji yang diambil adalah daya aktif (W), tegangan (V) dan arus (A) termasuk harmonisanyauntuk sisi primer dan sisi sekunder transformator.

a

Gambar 8. Skema rangkaian uji pembebanan linier.

Uji beban nol dan hubung singkat menghasilkan data yang ditunjukkan oleh Tabel 1 di bawah ini.

Tabel 1. Data uji beban nol dan uji hubug singkat transformator

Pengujian Tegangan (V) Arus (A) Daya (kW)

Beban nol 220.4 0.42 0.07

Hubung singkat 8.7 10.21 0.084

Dengan menggunakan persamaan (3), (4), (5) dan (6) maka dapat diperoleh nilai-nilai parameter rangkaian ekivalen per-fasa dari transformator daya tiga-fasa yang diuji sebagai berikut:

Parameter inti : RC = 639,9, XC = 918,9. Parameter belitan : Re = 0,27, Xe = 0,81.

Sementara itu, gelombang arus yang mengalir pada setiap penghantar fasa transformator dalam uji pembebanan linier ditunjukkan oleh Gambar 9 (a).Terlihat bahwa arus ini memiliki bentuk mendekati sinusoidal murni yang dikonfirmasi oleh spektrum harmonisa pada Gambar 9 (b).Meski muncul harmonisa ganjil orde ke-5 namun magnitudanya sangat kecil.Nilai THDgelombang arus ini relatif kecil yaitu sekitar 4.9%.

(a) (b)

Gambar 9. (a) Gelombang arus fasa pada pembebanan linier resistif (b) Spektrum harmonisanya.

Data yang diperoleh dari uji pembebanan linier resistif ini ditampilkan pada Tabel 2. Dengan membandingkan secara langsung daya keluaran dan daya masukannya maka dapat diperoleh efisiensi () transformator berturut-turut sebesar 95,2%; 93,1%; 92,5% dan 91,8% untuk pembebanan sebesar 2 kW; 2,7 kW; 3,7 kW dan 4,5 kW.

Tabel 2. Data uji pembebanan linier resistif

Selanjutnya, uji pembebanan non-linier menggunakan tiga buah konverter ac/dc satu-fasa gelombang penuh dengan filter kapasitor akanmenghasilkan arus fasa yang ditunjukkan oleh Gambar 10 (a). Terlihat bahwa arus fasa ini memiliki bentuk non-sinusoidal dan saling berbeda fasa 120. Spektrum harmonisa pada Gambar 10 (b) menunjukkan bahwa arus fasa ini memiliki kandungan harmonisa orde ganjil (ke-3, ke-5, ke-7, ke-9 dan seterusnya) dengan nilaiTHD sangat besar yaitu 84,2%.

(a)(b)

Gambar 10. (a) Gelombang arus fasa pada pembebanan non-linier menggunakan tiga-buah konverter ac/dc satu-fasagelombang

penuh dengan filter kapasitor (b) Spektrum harmonisanya.

Data uji pembebanan non-linier ini ditampilkan oleh Tabel 3 di bawah.Berdasarkan data pada Tabel 3 ini dapat diperoleh efisiensisebesar 90%;87,9%;86,4% dan 85,2% masing-masing untuk pembebanan sebesar 1,8 kW; 2,9 kW; 3,5 kW dan 4,6 kW.

Tabel 3. Data uji pembebanan non-linier dengan tiga-buah konverter ac/dc satu-fasa gelombang penuh dengan filter kapasitor

Untuk beban non-linier berupa sebuah konverter ac/dc tiga-fasa gelombang penuh dapat diperoleh gelombang arus fasa yang ditunjukkan oleh Gambar 11 (a).Terlihat bahwa arus fasa ini memiliki bentuk non-sinusoidal dan saling berbeda fasa 120. Spektrum harmonisanya pada Gambar 11 (b) menunjukkan bahwa muncul harmonisa orde ganjil selain kelipatan tiga yaitu ke-5, ke-7, ke-11, ke-13 dan

seterusnyadengan nilaiTHD cukup besar

mencapai29,6%.Selanjutnya, dari uji pembebanan non-linier ini diperoleh data yang ditampilkan oleh Tabel 4. Berdasarkan data pada Tabel 4 ini diperoleh efisiensi sebesar 94,7%; 92%; 90,7% dan 89,1% masing-masing untuk pembebanan sebesar 1,8 kW; 2,3 kW; 3,4 kW dan 4,1

kW.

(a) (b)

Gambar 11. (a) Gelombang arus fasa pada pembebanan non-linier dengansebuah konverter ac/dc tiga-fasa gelombang penuh (b)

Spektrum harmonisanya.

Tabel 4. Data uji pembebanan non-linier dengan konverter ac/dc tiga-fasa gelombang penuh

Jika hasil uji pembebanan linier dan non-linier transformator yang ditunjukkan oleh Tabel 2, Tabel 3 dan Tabel 4 dibandingkan maka akan terlihat bahwa pembebanan non-linier mengakibatkan aliran arus fasa yang lebih besar. Semakin tinggi persentase THD beban non-linier, semakin besar arus fasanya.Gambar 12 di bawah ini menunjukkan perbandingan arus yang mengalir di belitan fasa transformator daya untuk kondisi pembebanan linier dan non-linier tersebut di atas.

Gambar 12. Perbandingan arus belitan fasa transformator untuk beberapa kondisi pembebanan yang berbeda.

Dengan arus fasa yang semakin besar maka sesuai persamaan (7) dan persamaan (8) rugi-rugi belitan transformator akan bertambah besar dan efisiensinya berkurang. Oleh karenanya jika dibandingkan maka efisiensi transformator daya tiga-fasa dalam kondisi pembebanan non-linier akan lebih rendah daripada kondisi pembebanan linier. Semakin tinggi persentase THD beban non-linier, semakin rendah efisiensi transformator.Gambar 13 menunjukkan perbandingan efisiensi transformator daya tiga-fasa untuk kondisi pembebanan linier dan pembebanan

non-linier berdasarkan pengujian yang telah dijalankan.

Gambar 13. Perbandingan efisiensi transformator daya tiga-fasa untuk kondisi pembebanan linier dan pembebanan non-linier.

Hasil kajian yang lebih dalam menunjukkan bahwa penurunan efisiensi transformator daya dalam kondisi pembebanan non-linier tidak semata-mata disebabkan oleh bertambahnya rugi-rugi belitan.Namun, pertambahan rugi-rugi inti dalam kondisi pembebanan non-linier ternyata lebih besar.Tabel 5 menampilkan perbandingan rugi-rugi belitan dan rugi-rugi inti transformator untuk kondisi pembebanan linier dan pembebanan non-linier.Dapat dilihat bahwa dalam kondisi pembebanan linier rugi-rugi inti transformator relatif konstan sehingga penurunan efisiensi lebih cenderung disebabkan oleh pertambahanrugi-rugi belitan.Namun untuk kondisi pembebanan non-linier, rugi-rugi inti bertambah signifikan sehingga penurunan efisiensi transformator daya tidak lagi disebabkan oleh bertambahnya rugi-rugi belitan saja.Semakin tinggi persentase THD beban non-linier, semakin besar rugi-rugi inti transformator daya.

Tabel 5.Perbandingan rugi-rugi belitan dan rugi-rugi inti transformator dalam kondisi pembebanan linier dan non-linier

4. Kesimpulan

Hasil kajian secara umum menunjukkan bahwa transformator daya tiga-fasa dengan pembebanan non-linier akan memiliki efisiensi yang lebih rendah. Semakin tinggi persentase THD beban non-liniernya, semakin rendah efisiensi transformator.Penurunan efisiensi transformator daya yang diakibatkan oleh pembebanan linier dan non-linier memiliki karakteristik berbeda.Pada kondisi pembebanan linier, penurunan efisiensi cenderung diakibatkan oleh bertambahnya rugi-rugi belitan dengan rugi-rugi inti konstan.Sementara itu, rugi-rugi inti transformator bertambah signifikan dalam kondisi pembebanan non-linier.Dengan demikian penurunan Vin (V) Iin (A) Pin (kW) Vout (V) Iout (A) Pout (kW)

Beban konverter ac/dc satu-fasa dengan filter kapasitor

50.0

Beban konverter ac/dc satu-fasa dengan filter kapasitor

Rugi belitan

0.005 0.070 2.0 0.007 0.097 1.8 0.013 0.193 1.8

0.011 0.070 2.7 0.013 0.185 2.3 0.036 0.362 2.9

0.026 0.070 3.7 0.033 0.372 3.4 0.052 0.513 3.5

0.040 0.070 4.5 0.048 0.452 4.1 0.081 0.685 4.6

Beban linier resistif Beban non-linier berupa konverter ac/dc tiga-fasa

efisiensinya tidak hanya disebabkan oleh bertambahnya rugi-rugi belitan saja.

Daftar Pustaka

[1] M. H. Rashid, “Power Electronics Handbook and

Applications”, Elsevier-BH, 2011.

[2] B. L. Theraja, A. K. Theraja, “A Textbook of Electrical

Technology Volume I Basic Electrical Engineering”, S. Chand and Company Ltd., 2005.

[3] P. Gill, “Electrical Power Equipment, Maintenance and

Testing”, Second Edition, CRC Press, 2009.

[4] S. Sudirham, “Analisis Rangkaian Listrik Jilid 3”,

Darpublic, 2012

[5] D. Salomonsson, “Low-Voltage DC Distribution System

for Commercial Power Systems With Sensitive Electronics Loads”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No. 3, July 2007.

[6] M. A. Patel, A. R. Patel, D. R. Vyas, K. M. Patel, “Use of PWM Techniques for Power Quality Improvement”, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 1, No. 4, May 2009.

[7] F. M. Wildan, E. A. Hakim, D. Suhardi, “Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontroler PID Berbasis Genetic Algorithm”, Jurnal Kinetik, Vol.1, No.1, 2016.