Konstruksi dan Prinsip Kerja
Transformator
14:51 / feri budi / Elektro, Power,
Dalam suatu eksperimennya Michael Faraday dengan menggunakan bahan- bahan berupa
sebuah coil, magnet batang dan galvanometer dapat membuktikan bahwa bila kita mendorong
medan magnet batang ke dalam coil tersebut, dengan kutub utaranya menghadap coil
tersebut, ketika batang magnet sedang bergerak, jarum galvanometer memper- lihatkan
penyimpangan yang menunjukkan bahwa sebuah arus telah dihasilkan di dalam coil tersebut.
Bila batang magnet tersebut digerakkan dengan arah sebaliknya maka arah penunjukan pada
galvanometer arahnya- pun berlawanan yang menunjukkan bahwa arah arus yang terjadi
berlawanan juga.
Jadi yang terjadi dalam percobaan itu adalah apa yang disebut arus imbas yang dihasilkan
oleh tegangan gerak listrik imbas.
Gambar percobaan arus induksi
Dalam percobaan lainnya Michael Faraday mencobakan sebuah cincin yang terbuat dari besi
lunak, kemudian cincin besi lunak tersebut dililit dengan kawat tembaga berisolasi.
Percobaan Induksi
Bila sakelar (S) ditutup, maka akan terjadi rangkaian tertutup pada sisi primer, demikian arus
I1 akan mengalir pada rangkaian sisi primer tersebut, sedangkan pada lilitan sekunder tidak
ada arus yang mengalir. Tetapi bila sakelar (S) ditutup dan dibuka secara bergantian maka
jarum galvanomete r akan memperlihatkan adanya penyimpangan yang arahnya
berubah-ubah ke kiri dan ke kanan. Perberubah-ubahan arah penunjukan jarum galva- nometer ini disebabkan
adanya tegangan induksi pada lilitan sekunder, sehingga I2 mengalir melalui galvanometer.
Dari percobaan seperti telah dijelaskan di atas Michael Faraday dapat menyimpulkan bahwa
Jika kecepatan perubahan fluks dinyatakan di dalam weber/detik, maka tegangan gerak listrik
e dinyatakan dalam volt, yang dalam bentuk persamaannya adalah:
Konstruksi Transformator
Transformator sering juga disebut trafo memiliki konstruksi dan simbol seperti pada gambar 1 berikut ini.
Gambar 1 konstruksi dan simbol transformator
Keterangan dari gambar 1 : NP : jumlah lilitan primer
NS : jumlah lilitan sekunder
VP : tegangan primer
VS : tegangan sekunder
Sebuah trafo terdiri dari kumparan dan inti besi. Biasanya terdapat 2 buah kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Kedua kumparan ini tidak berhubungan secara fisik tetapi dihubungkan oleh medan magnet. Untuk meningkatkan induksi magnetik antara 2 kumparan maka ditambahkan inti besi seperti pada gambar 1.
Inti besi pada trafo dibedanya menjadi 2 macam yaitu :
1. 1. Inti besi tipe Shell (Shell Core Transformator)
2. 2. Inti besi tipe tertutup (Closed Core Transformator)
Gambar 2 inti trafo
Pada trafo dengan inti besi berbentuk shell, kumparan dikelilingi oleh inti besi. Fluks magnetik pada inti besi tipe shell akan terbelah dua (lihat gambar 2). Sementara kumparan primer dan kumparan sekunder digulung bersamaan. Untuk trafo yang memiliki inti besi tipe tertutup. Tidak ada pembagian fluk magnetik. Kumparan primer dan kumparan sekunder terpisah dan dihubungkan dengan inti besi.
Inti besi trafo tidak dibuat berbentuk besi tunggal, tetapi dibuat dari pelat besi yang berlapis – lapis. Bentuk lapisan pelat besi pada inti trafo dapat dilihat seperti pada gambar 3 berikut ini.
Gambar 3 inti besi berlapis pada trafo
Gam bar 4 cara menghubungkan lapisan inti besi pada trafo
Mengapa inti besi sebuah trafo harus dibuat berlapis-lapis?.
Untuk menjawab pertanyaan ini , kita terlebih dahulu harus mempelajari rugi-rugi yang terjadi pada inti besi. Rugi – rugi-rugi yang terjadi pada inti besi disebut
“iron losses “ (rugi-rugi besi). Kerugian pada inti besi terdiri dari :
1. Hysterisis losses (rugi-rugi histerisis)
Kerugian histerisis disebabkan oleh gesekan molekul yang melawan aliran gaya magnet di dalam inti besi. Gesekan molekul dalam inti besi ini menimbulkan panas. Panas yang timbul ini menunjukan kerugian energi, karena sebagian kecil energi listrik tidak dipindahkan , tetapi diubah bentuk menjadi energi panas. Panas yang tinggi juga dapat merusak trafo ,sehingga pada trafo – trafo
transmisi daya listrik ukuran besar, harus didinginkan dengan media pendingin. Umumnya digunakan minyak khusus untuk mendinginkan trafo ini.
Sebuah trafo didesain untuk bekerja pada rentang frekuensi tertentu.
Menurunnya frekuensi arus listrik dapat menyebabkan meningkatnya rugi-rugi histerisis dan menurunkan kapasitas (VA) trafo.
2. Kerugian karena Eddy current (eddy current losses)
Kerugian karena Eddy current disebabkan oleh aliran sirkulasi arus yang
menginduksi logam. Ini disebabkan oleh aliran fluk magnetik disekitar inti besi. Karena inti besi trafo terbuat dari konduktor (umumnya besi lunak), maka arus Eddy yang menginduksi inti besi akan semakin besar. Eddy current dapat
menyebabkan kerugian daya pada sebuah trafo karena pada saat terjadi induksi arus listrik pada inti besi, maka sejumlah energi listrik akan diubah menjadi panas. Ini merupakan kerugian.
Untuk mengurangi arus Eddy, maka inti besi trafo dibuat berlapis-lapis,
Gambar 5 Inti besi utuh dan inti besi berlapis
3. Rugi-rugi tembaga (copper losses)
Rugi – rugi yang ketiga adalah rugi-rugi tembaga (copper losses). Rugi-rugi tembag terjadi di kedua kumparan. Kumparan primer atau sekunder dibuat dari gulungan kawat tembaga yang dilapisi oleh isolator tipis yang disebut enamel. Umumnya kumparan dibuat dari gulungan kawat yang cukup panjang. Gulungan kawat yang panjang ini akan meningkatkan hambatan dalam kumparan. Pada saat trafo dialiri arus listrik maka hambatan kumparan ini akan mengubah sejumlah kecil arus listrik menjadi panas yaitu sebesar (i2R). Semakin besar
harga R maka semakin besar pula energi panas yang timbul di dalam kumparan. Mutu kawat yang bagus dengan nilai hambatan jenis yang kecil dapat
mengurangi rugi – rugi tembaga. Sebuah trafo yang ideal diasumsikan:
1. Tidak terjadi rugi-rugi hysterisis
2. Tidak terjadi induksi arus Eddy
3. Hambatan dalam kumparan = 0, akibatnya tidak ada rugi-rugi tembaga
Gulungan kawat pada kumparan trafo
Menggulung kawat pada kumparan trafo tidak dilakukan dengan sembarangan, tetapi mengikuti aturan tertentu. Pada trafo fase tunggal, terdapat 2 gulungan kumparan, yaitu gulungan pada kumparan primer yang terhubung langsung ke sumber arus listrik dan gulungan kumparan sekunder yang terhubung langsung ke beban. Perbandingan jumlah gulungan antara kumparan primer dan kumparan sekunder akan menentukan jenis trafo, apakah jenis step-up atau step-down. Bila gulungan kawat pada kumparan primer lebih banyak dibandingkan dengan gulungan kawat pada kumparan sekunder maka trafo akan berfungsi sebagai penurun tegangan atau step-down trafo. Sebaliknya jika gulungan kawat pada kumparan sekunder lebih banyak dari pada gulungan kawat pada kumparan primer, maka trafo akan berfungsi untuk menaikan tegangan atau step-up trafo.
memiliki berat yang besar. Untuk mengurangi berat transformator, sering juga digunakan jenis kawat aluminium. Kawat dengan bahan dasar aluminium memiliki berat jenis yang kecil, tetapi kawat ini tidak tahan terhadap panas dan konduktivitasnya masih lebih kecil dibandingkan dengan tembaga.
Satu hal yang penting dalam menggulung kumparan trafo adalah arah gulungan (orientasi titik). Kumparan primer dan kumparan sekunder dapat digulung searah, tetapi dapat juga digulung berlawanan arah. Hal ini akan berpengaruh ke fasa arus listrik. Apabila kumparan primer dan kumparan sekunder digulung searah, maka fasa arus listrik pada kumparan primer akan sama dengan fasa arus listrik pada kumparan sekunder. Sebaliknya apabila arah gulungan kumparan primer dan sekunder berlawanan arah, maka fasa arus listrik pada kumparan primer akan berlawanan dengan fasa arus listrik pada kumparan sekunder. Untuk jelasnya dapat dilihat pada gambar 6 berikut ini.
Gambar 6 gulungan searah dan gulungan berlawanan
Trafo dapat digunakan untuk menaikan atau menurunkan tegangan. Trafo yang digunakan untuk menaikan tegangan disebut trafo step – up sedangkan trafo yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut trafo step-down. Pada trafo step – up tegangan pada sisi sekunder akan lebih tinggi dari tegangan pada sisi primer sebaliknya pada trafo step down tegangan sisi sekunder akan lebih
Tegangan pada sisi primer (Vp) dan tegangan sekunder (Vs) ditentukan oleh
jumlah lilitan kawat pada kumparan primer dan sekunder. Perbandingan antara lilitan kawat pada kumparan primer (Np) dan lilitan kawat pada kumparan
sekunder (Ns) disebut rasio lilitan (n). Sedangkan perbandingan antara tegangan
primer (Vp) dengan tegangan sekunder (Vs) disebut rasio tegangan. Besar rasio
tegangan dengan rasio lilitan harus sama. Sehingga secara matematis dapat ditulis :
Persamaan 1 berlaku bila fluks medan magnet primerdan fluks medan magnet sekunder sama. Rasio lilitan merupakan salah satu faktor penting dalam mendesain dan membuat trafo.
Contoh 1
Sebuah trafo memiliki jumlah lilitan kumparan primer 1500 dan jumlah lilitan pada kumparan sekunder 500 hitunglah berapa rasio lilitan trafo tersebut. Bila pada sisi primer diberi tegangan listrik AC 300 V, hitunglah tegangan pada sisi sekunder bila fluks magnet primer dan sekunder sama.
Jawab
Bila fluks medan magnet pada sisi primer dan sekunder sama, maka berlaku:
Gambar 7 fluks medan magnet pada inti besi
Pada trafo kumparan primer dan kumparan sekunder tidak berhubungan sama sekali, jadi bagaimana daya listrik dapat berpindah dari primer ke sekunder?.
Penghubung antara kumparan primer dan kumparan sekunder adalah fluks medan magnet. Ketika kumparan primer dialiri arus listrik AC, maka pada kumparan primer akan timbul medan magnet disekelilingnya yang disebut mutual induktansi. Mutual induktansi ini bekerja menurut hukum Faraday tentang induksi magnet pada kawat yang dialiri arus listrik. Kuat medan magnet berubah
dari nol hingga maksimum yang dinyatakan dengan
Garis gaya magnet ini keluar dari kumparan primer dan diarahkan oleh inti besi. Fluk magnetik ini berputar di dalam inti besi seperti pada gambar 2. Fluks medan magnet berubah naik dan turun sesuai dengan sumber arus AC yang diberikan. Besar medan magnet yang diinduksikan ke inti besi ditentukan oleh besarnya arus listrik dan jumlah lilitan kumparan. Semakin besar lilitan kumparan dan semakin besar arus listrik yang mengalir, maka semakin besar juga fluks medan magnet yang diinduksikan ke inti besi.
Ketika medan magnet ini memotong atau masuk ke kumparan sekunder, maka pada kumparan sekunder akan timbul gaya gerak listrik yang disebut tegangan induksi. Besar tegangan induksi ditentukan menurut hukum faraday yaitu :
Tegangan induksi ini tidak mengubah frekuensi, sehingga frekuensi pada kumparan primer akan sama dengan frekuensi pada kumparan sekunder. Bila kira mempunyai sebuah trafo dengan 1 lilitan tunggal pada kumparan primer dan demikian juga dengan kumparan sekunder. Jika tegangan 1 volt diberikan pada kumparan primer dan diasumsikan tidak ada kerugian, arus listrik yang mengalir cukup untuk membangkitkan fluks medan magnet dan
menghasilkan tegangan induksi sebesar 1 volt pada 1 lilitan di kumparan sekunder. Ini yang disebut dengan besar tegangan per lilitan.
antara induksi emf, (E) dan N diberikan :
Tegangan maksimum jika Cos(wt) = 1, atau
Tegangan rms (rms = root mean square) adalah :
Persamaan ini dikenal dengan nama transformer EMF equation. Untuk kumparan primer maka digunakan NP dan untuk kumparan sekunder digunakan Ns. Trafo
tidak dapat bekerja pada arus DC, karena arus DC tidak menimbulkan fluk medan magnet.
Contoh 2
Sebuah trafo mempunyai 480 lilitan pada kumparan primer dan 90 lilitan pada kumparan sekunder. Fluk magnet maksimum sebesar 1,1 Tesla pada tegangan 2000 Volt dengan frekuensi 50 Hz, hitunglah :
1. Fluks maksimum di inti besi
2. Luas penampang inti
3. Induksi emf sekunder
Jawab :
Luas penampang inti
Induksi emd sekunder
Daya Transformator
matematis, daya sebuah trafo dapat dituliskan :
Dimana θp dan θs adalah fase pada primer dan sekunder.
Efisiensi transformator
Sebuah trafo tidak membutuhkan bagian yang bergerak untuk memindahkan energi dari kumparan primer ke kumparan sekunder. Ini berarti tidak ada kerugian karena gesekan atau hambatan udara seperti yang terdapat pada mesin – mesin listrik (contoh motor listrik dan generator). Namun di dalam trafo juga terdapat kerugian yang disebut rugi-rugi tembaga (copper losses) dan rugi-rugi besi (iron losses). Rugi-rugi tembaga terdapat pada kumparan primer dan kumparan sekunder, sedangkan rugi-rugi besi terdapat dalam inti besi. Rugi-rugi ini berupa panas yang dilepaskan akibat terjadinya Eddy current. Tetapi rugi-rugi ini sangat kecil. Efisiensi sebuah trafo dapat dihitung dengan membandingkan daya yang dikeluarkan di kumparan sekunder dengan daya yang diberikan pada kumparan primer.
Sebuah trafo ideal akan memiliki efisiensi sebesar 100 %. Artinya semua daya yang diberikan pada kumparan primer dipindahkan ke kumparan sekunder tanpa ada kerugian. Sebuah trafo yang real memiliki efisiensi di bawah 100% dan pada saat beban penuh (full load) efisiensi trafo berkisar pada harga 94 – 96%. Untuk trafo yang bekerja pada tegangan dan frekuensi yang konstan, efisiensi trafo dapat mencapai 98%. Efisiensi trafo dapat dinyatakan :
Transformator dengan banyak kumparan
yaitu 1 kumparan primer dan 1 kumparan sekunder. Tetapi, trafo dapat dibuat dengan banyak kumparan, baik pada kumparan primer maupun pada kumparan sekunder. Trafo dengan banyak kumparan disebut multiple winding transformer. Prinsip kerja trafo dengan banyak kumparan sama dengan trafo dengan 2 kumparan. Perhitungan tegangan primer, tegangan sekunder, jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan sekunder serta arah lilitan sama dengan perhitungan pada trafo dengan 2 kumparan. Hal yang perlu diperhatikan adalah polaritas tegangan pada kumparan, baik kumparan primer maupun kumparan sekunder. Gambar 7 menunjukan skema trafo dengan banyak kumparan.
Gambar 7 skema trafo dengan banyak kumparan
Gambar 7 menunjukan sebuah trafo yang memiliki 2 kumparan primer dan 3 kumparan sekunder. Kumparan primer trafo dapat dihubungkan secara seri atau paralel. Apabila hendak dihubungkan dengan tegangan yang lebih tinggi kumparan primer dapat dihubungkan seri. Bila kumparan primer dihubungkan secara parelel, maka kumparan primer dapat dialiri arus listrik yang lebih besar lagi. Demikian juga dengan kumparan sekunder. Bila dihubungkan secara seri, maka tegangan yang dihasilkan akan semakin besar, dan bila dihubungkan secara paralel, maka arus yang dihasilkan akan semakin besar.
Gambar 8 contoh gabungan beberapa kumparan pada trafo
Trafo certer tap (Trafo CT)
Trafo CT adalah trafo step-down yang kumparan sekundernya memiliki titik tengah (center tap). Trafo ini digunakan untuk menciptakan 2 tegangan sekunder yang sama. Trafo CT digunakan untuk membuat power supply bipolar. Gambar 9 menunjukan skema trafo CT.
Gambar 9 skema trafo CT
Gambar 10 contoh trafo engkel
