BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian ke rangkaian listrik

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Transformator berfungsi untuk menyalurkan daya/tenaga dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya. Dalam operasi penyaluran tenaga listrik transformator dapat dikatakan sebagai jantung dari transmisi dan distribusi.

Transformator satu fasa mempunyai satu sisi masukan dan satu sisi keluaran. Sisi masukan disebut sisi primer, dan sisi keluaran disebut sisi sekunder. Sedangkan transformator tiga fasa mempunyai tiga buah sisi masukan dan tiga buah sisi keluaran, Transformator tiga fasa dapat dibentuk dari tiga buah transformator satu fasa ataupun dari bentuk konstruksi transformator tiga fasa satu inti. Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi tiga jenis yaitu sebagai berikut:

1. Transformator daya 2. Transformator distribusi 3. Transformator ukur

Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian

dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama. [1]

2.2 Prinsip Kerja Transformator

Suatu trafo, dalam bentuk yang sederhana, pada dasarnya terdiri dari dua kumparan yang diisolasikan yang tergandeng dengan medan magnet bersama atau mutual yang dibangkitkan dalam inti bahan magnetik, seperti terlihat pada Gambar 2.1. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik diberi nama kumparan primer, dan kumparan yang dihubungkan dengan beban, diberi nama kumpara sekunder.

Gambar 2.1 Bagan dari transformator [1]

Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik, maka fluks bolak balik akan muncul dalam inti (core) yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup, maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer, maka dikumparan primer terjadi induksi (self induction). Selain itu, terjadi pula induksi dikumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer (mutual induction) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet dikumparan sekunder, serta arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer

keseluruhan (secara magnetik). Secara umum, rangkaian pengganti sebuah transformator adalah sebagai berikut:

Gambar 2.2 Rangkaian Pengganti Transformator [1]

Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a2, dimana:

a = 𝐸𝐸1

𝐸𝐸2………..………(2.1)

2.3 Konstruksi Transformator

Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam transformator, yaitu tipe inti (core) dan tipe cangkang (shell). [1]

(a) (b)

Gambar 2.3 (a) Tipe Inti ( Core Type) (b) Tipe Cangkang (Shell Type) [1]

2.3.1 Inti Besi

Inti besi digunakan sebagai media jalannya fluks yang timbul akibat induksi arus bolak balik pada kumparan yang mengelilingi inti besi sehingga dapat menginduksi kembali ke kumparan yang lain. Dibentuk dari lempengan – lempengan besi tipis berisolasi yang disusun sedemikian rupa untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan atau diakibatkan oleh arus Eddy (Eddy current). [1]

2.3.2 Kumparan Transformator (Winding)

Kumparan transformator adalah beberapa lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatu kumparan. Belitan terdiri dari batang tembaga berisolasi yang mengelilingi inti besi, dimana saat arus bolak balik mengalir pada belitan tembaga tersebut, inti besi akan terinduksi dan menimbulkan fluks magnetik. [ 1 ]

2.3.3 Minyak Transformator

Sebagian besar kumparan-kumparan dan inti trafo tenaga direndam dalam minyak trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai isolasi dan media pemindah, sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi. [1]

2.3.4 Tangki Konservator

Saat terjadi kenaikan suhu operasi pada transformator, minyak isolasi akan memuai sehingga volumenya bertambah. Sebaliknya saat terjadi penurunan suhu operasi, maka minyak akan menyusut dan volume minyak akan turun. Konservator digunakan untuk menampung minyak pada saat transformator mengalami kenaikan suhu. Seiring dengan naik turunnya volume minyak di konservator akibat pemuaian dan penyusutan minyak, volume udara didalam konservator pun akan bertambah dan berkurang. Penambahan atau pembuangan udara didalam konservator akan berhubungan denganudara luar. Agar minyak isolasi transformator tidak terkontaminasi oleh kelembaban dan oksigen dari luar, maka udara yang akan masuk kedalam konservator akan difilter melalui silicage. Untuk menghindari agar minyak trafo tidak berhubungan langsung dengan udara luar, maka saat ini konservator dirancang dengan menggunakan brether

bag/rubber bag, yaitu sejenis balon karet yang dipasang didalam

2.3.5 Bushing

Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo. Secara garis besar bushing dapat dibagi menjadi empat bagian utama yaitu isolasi, konduktor, klem koneksi, dan asesoris. Isolasi pada bushing terdiri dari dua jenis yaitu oil impregnated paper dan resin impregnated paper. Pada tipe oil impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan minyak isolasi sedangkan pada tipe resin impregnated paper, isolasi yang digunakan adalah kertas isolasi dan resin. [1]

2.3.6 Peralatan Bantu

Peralatan bantu berfungsi untuk membantu fungsi-fungsi dari bagian utama.

2.3.6.1 Pendingin

Sebagai instalasi tenaga listrik yang dialiri arus maka pada transformator akan terjadi panas yang sebanding dengan arus yang mengalir serta temperatur udara disekeliling transformator tersebut. Jika temperatur luar cukup tinggi dan beban transformator juga tinggi maka transformator akan beroperasi dengan temperatur yang tinggi pula. Untuk mengatasi hal tersebut transformator perlu dilengkapi dengan sistim pendingin yang bisa memanfaatkan sifat alamiah dari cairan pendingin dan dengan cara mensirkulasikan secara teknis, baik yang menggunakan sistem radiator, sirip-sirip yang tipis berisi minyak dan dibantu dengan hembusan angin dari

kipas-kipas sebagai pendingin yang dapat beroperasi secara otomatis berdasarkan pada setting rele temperatur dan sirkulasi air yang bersinggungan dengan pipa minyak isolasi panas.

Transformator umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki. Transformator tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin adalah yang berkapasitas di atas 10 MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor untuk mengembus udara. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan.

Transformator dalam keadaan bertegangan dan belum dibebani akan timbul rugi-rugi yang dapat menimbulkan kondisi trafo tersebut panas, namun panas yang timbul kecil. Apabila transformator tersebut dibebani maka kumparan dan minyak di dalam trafo akan bertambah panas sesuai dengan kenaikan bebannya. Panas yang timbul pada kumparan akan diteruskan secara konduksi pada minyak trafo yang berfungsi sebagai pendingin. Baik kumparan maupun minyak trafo mempunyai batas-batas operasi panas yang diijinkan. Isolasi kumparan yang terdiri dari kertas kraft mempunyai batas panas yang diijinkan sesuai dengan kelas isolasi spesifikasi trafo. Demikian juga minyak isolasi trafo mempunyai batas panas yang diijinkan. Apabila panas-panas tersebut dilampaui maka isolasi akan rusak dan secara keseluruhan transformator tersebut akan rusak. Panas tersebut harus direduksi dengan memasang sistem pendingin yaitu: riben, radiator kipas-kipas dan pompa minyak.

a. Pendingin Dengan Riben

Transformator dengan kapasitas 10 sampai dengan 30 MVA menggunakan riben atau sirip-sirip sebagai pendingin. Minyak panas yang ditimbulkan oleh panas kumparan akan terjadi pada bagian atas trafo sementara minyak yang dingin berada di bawah bagian trafo. Kondisi ini secara alami akan mengalir dari bawah trafo dan diteruskan melalui riben atau sirip pendingin, yang dirancang sedemikian sehingga minyak panas yang melalui riben akan didinginkan oleh aliran udara luar.

b. Pendingin Menggunakan Kipas

Transformator dengan kapasitas lebih dari 30 MVA biasanya dilengkapi dengan riben kipas pendingin, radiator dan pompa minyak.

c. Menggunakan Riben dan Kipas

Minyak trafo panas yang dialirkan melalui riben seperti yang dijelaskan di atas akan dihembus dengan udara dari kipas pendingin, baik secara vertikal ataupun horizontal sehingga minyak panas sebelum masuk kedalam trafo telah didinginkan dengan udara luar dengan bantuan kipas angin.

d. Menggunakan radiator dan Kipas Pendingin

Minyak panas dari dalam trafo dipompa dengan motor pompa minyak dialirkan melalui radiator-radiator dan pada bagian depan radiator terpasang kipas-kipas pendingin yang akan menarik udara panas yang ditimbulkan oleh minyak panas ke udara luar dan dari sela-sela radiator akan mengalir udara segar yang akan mendinginkan minyak trafo. [1,2]

Gambar 2.4 Pendingin Sirip dan Kipas [2]

2.3.6.2 Konservator

Konservator berupa tangki tambahan berbentuk silinder yang ditempatkan diatas tangki transformator. Fungsi dari alat ini adalah untuk tempat luapan minyak transformator pada saat memuai akibat temperatur yang tinggi pada lilitan. [1]

2.3.6.3 Dehydrating Breather

Pada saat minyak naik temperaturnya, akan terjadi perubahan volume minyak yang berakibat terdorongnya udara dalam kantong udara pernafasan menuju keluar sedangkan pada saat minyak dingin terjadi penyusutan volume minyak yang menyebabkan udara luar masuk ke dalam tangki trafo. Selama proses tersebut akan terjadi singgungan antara minyak dengan udara luar. Jika udara tersebut lembab, maka uap air akan terserap oleh minyak trafo yang berakibat turunnya tegangan tembus.

Untuk mengatasi hal tersebut, pada ventilasi udara dipasang alat pernafasan berupa saringan silikagel yang akan menyerap uap air. Bila silikagel

yang berwarna biru sudah jenuh oleh uap air, maka akan terjadi perubahan warna menjadi merah muda, untuk itu harus diaktifkan dengan cara pemanasan pada temperatur 150o-200o C, sehingga warnanya berubah menjadi biru. Selain silikagel, pemeliharaan juga dilakukan pada piringan-piringan berpori dan oil seal yang berfungsi sebagai filter debu ataupun serangga yang terbawa bersama-sama udara. [1]

2.3.6.4 Tap Changer

Tap changer adalah alat perubah perbandingan transformasi untuk

mendapatkan tegangan operasi sekunder yang lebih baik (diinginkan) dari tegangan jaringan/primer yang berubah-rubah. Tap changer yang hanya bisa beroperasi untuk memindahkan tap transformator dalam keadaan transformator tidak berbeban disebut “Off Load Tap Changer” dan hanya dapat dioperasikan manual.

Tap changer yang dapat beroperasi untuk memindahkan tap tarnsformator,

dalam keadaan transformator berbeban disebut “On Load Tap Changer” dan dapat dioperasikan secara manual atau otomatis.

Ada dua cara kerja tap changer: (a) mengubah tap dalam keadaan trafo tanpa beban, (b) mengubah tap dalam keadaan trafo berbeban (On Load Tap

Changer/OLTC).

Transformator yang terpasang di gardu induk pada umumnya menggunakan tap changer yang dapat dioperasikan dalam keadaan trafo berbeban dipasang di sisi primer. Sedangkan transformator penaik tegangan di pembangkit

atau pada trafo kapasitas kecil, umumnya menggunakan tap changer yang dioperasikan hanya pada saat tenaga beban OLTC terdiri dari:

• Selector Switch. • Diverter Switch • Transisi Resistor

Untuk mengisolasi dari bodi trafo (tanah) dan meredam panas pada saat proses perpindahan tap, maka OLTC direndam di dalam minyak isolasi yang biasanya terpisah dengan minyak isolasi utama trafo (ada beberapa trafo yang compartemennya menjadi satu dengan main tank). Karena pada proses perpindahan hubungan tap di dalam minyak terjadi fenomena elektris, mekanis, kimia dan panas, maka minyak isolasi OLTC kualitasnya akan cepat menurun, tergantung dari jumlah kerjanya dan adanya kelainan di dalam OLTC. [2]

2.3.6.5 Indikator

Untuk mengawasi selama transformator beroperasi, maka perlu adanya indikator pada transformator sebagai berikut:

(a) Indikator suhu minyak (b) Indikator permukaan minyak (c) Indikator sistem pendingin (d) Indikator kedudukan tap 2.3.6.6 Peralatan Indikator

Termometer adalah alat pengukur tingkat panas dari trafo baik panasnya kumparan primer dan sekunder juga minyak. Termometer ini bekerja atas dasar air raksa (mercuri/Hg) yang

tersambung dengan tabung penuaian dan tersambung dengan jarum indikator derajat panas.

2.4 Polaritas Transformator

Polaritas trafo adalah tanda pada trafo yang menjelaskan arah relatif dari tegangan induksi dan komponen-komponen arus dalam dua kumparan trafo. Dalam kebanyakan trafo ada suatu bentuk dari tanda pada trafo yang diberikan pada trafo yang diberikan oleh pabrik pembuatannya. Tanda tersebut dikenal sebagai polarity marking. Kumparan-kumparan dari trafo atau mesin-mesin elektrik yang lain diberi tanda untuk menunjukkan polaritas dari terminal-terminalnya. Perhatikan Gambar 2.5 dibawah ini:

1 3

2 4

Gambar 2.5 Polaritas trafo [3]

Terminal 1 dan 3 adalah identik, karena arus-arus yang masuk ke terminal-terminal ini menghasilkan fluksi dalam arah yang sama dalam inti, yang membentuk lintasan magnetik bersama. Dengan alasan yang sama, yang berubah terhadap waktu maka tegangan diinduksikan dalam kedua kumparan ini, maka bila suatu saat tertentu potensial tegangan pada terminal satu adalah positif terhadap terminal 2,maka pada saat yang sama tegangan jepitan pada terminal 3 akan positif terhadap terminal 4. Dengan perkataan lain, tegangan induksi e12 dan

e34 adalah sefasa. Terminal-terminal yang identik seperti 1 dan 3 atau 2 dan 4

dinamakan tanda polaritas dari kumparan. Tanda tersebut menunjukkan arah bagaimana kumparan itu dililitkan pada inti. [3]

2.5 Pendinginan Trafo

Suatu trafo, pada saat beroperasi terdapat rugi-rugi (losses) yang sebagian besar terdapat pada dua jenis material, diantaranya:

1. Rangkaian magnetik: muncul karena adanya variasi dari alternating flux pada inti magnetik, dimana berhubungan dengan adanya induktansi dan dari tegangan input.

2. Kumparan: sebagai fungsi I2R dari rugi-rugi pada kumparan dan juga adanya rugi Arus Eddy, yang berkaitan dengan arus dan beban.

Selain itu, losses juga terjadi pada interkoneksi, tap changer dan bushing. Fluksi bocor dari kumparan, teminal, dan koneksi dapat juga menimbulkan losses yang bersifat parasit dengan menginduksi arus eddy pada kumparan magnetik non aktif, seperti tangki konservator, cover, dan lain sebagainya. Sehingga hal ini juga harus diperhatikan diusahakan untuk lebih diturunkan ke titik minimum.

Semua losses ini menimbulkan panas pada peralatan-peralatan trafo, sehingga dibutuhkan metode pendinginan. Nilai kerja dari trafo (pada tegangan dan daya tertentu) sangat berhubungan dengan timbulnya panas, karena pembatasan pada material isolasi yang digunakan, dan bertambahnya derajat temperatur yang sebanding dengan bertambahnya losses I2R.

Transmisi dari panas biasanya dalam beberapa cara, yaitu:

1. Konduksi dari macam-macam peralatan yang digunakan dari dalam trafo ke permukaan.

2. Konveksi dalam dielektrik cair yang mana mentransmisikan panas ke media pendingin pada heat exchanger (untuk trafo tipe basah).

3. Radiasi dalam dielektrik gas yang mana keduanya, isolator dan pembawa panas (untuk trafo tipe kering).

Trafo umumnya diisi minyak sebagai bahan isolasi antara kumparan dengan kumparan dan kumparan dengan kaki. Trafo tenaga umumnya dilengkapi dengan sistem pendingin, yang dimaksudkan agar trafo dapat bekerja sesuai rating yang tertera pada spesifikasinya. Trafo yang dilengkapi pendingin biasanya adalah yang berkapasitas diatas 1MVA. Tipe pendingin trafo adalah secara alami dan paksaan, yaitu menggunakan riben (sirip), radiator dan bantuan motor kipas untuk menghasilkan debit udara yang lebih besar untuk dialirkan ke trafo. Banyaknya riben atau motor-motor yang terpasang sesuai dengan kapasitas trafo dan permukaan yang didinginkan.

Trafo kecil sampai rating 25kVA adalah tipe kering. Arus udara konveksi dan radiasai dari tangki trafo adalah cukup untuk mempertahankan temperatur dalam batas yang diijinkan. Kebanyakan trafo adalah direndam dalam minyak. Inti dan kumparan secara menyeluruh direndam dalam minyak mineral. Minyak adalah baik untuk bahan isolasi dan memberikan dispasi panas yang baik daripada udara. [3]

2.5.1 Trafo Minyak dengan Pendingin Sendiri

Panas yang timbul dalam kumparan sebagai akibat dari adanya pembebanan disalurkan dari tangki transformator ke atmosfer yang dilakukan melalui proses alami. [3]

2.5.2 Trafo Minyak dengan Pendingin Udara secara Paksaan (ONAF)

Transformator ini juga dibenamkan dalam minyak. Suatu saat, transformator bekerja dengan temperatur yang semakin tinggi dan tidak dapat diturunkan secara alami. Sehingga pendinginan diperbaiki lebih lanjut oleh udara yang dihembuskan pada seluruh permukaan luar transformator. [3]

2.5.3 Trafo Minyak dengan Pendingin Air (ONAN)

Tabung-tabung metal ditempatkan di dalam tangki, dibawah permukaan minyak. Air disirkulasikan melalui pipa-pipa untuk mengeluarkan panas dalam minyak. [3]

2.5.4 Trafo Minyak dengan Pendinginan Minyak secara Paksa (OFAF)

Metode ini menggunakan sirkulasi minyak yang dialirkan dengan bantuan pompa. Minyak dipompakan melalui saluran dan kemudian melalui radiator luar, yang didinginkan pula dengan kipas. Peralatan pompa minyak menambah biaya, tetapi pendinginan akan berlangsung lebih efektif. Perbedaan temperatur antara minyak pada bagian atas dan bawah lebih kecil.[3]

2.6 Trafo Ideal

Pada awalnya, suatu trafo dianggap ideal, yakni suatu trafo yang sangat sempurna, yang tidak mempunyai rugi-rugi didalamnya. [3]

2.6.1 Kondisi Trafo Ideal

Trafo dianggap sebagai trafo ideal bila memenuhi syarat sebagai berikut : • Kurva magnetisasi untuk inti adalah linear

• Rugi besi (rugi hysterisis dan eddy current) diabaikan • Tahanan kumparan diabaikan

• Tidak ada fluksi bocor 2.6.2 Trafo Ideal Tidak Berbeban

Misal kontak S (Gambar 2.6) dalam keadaan terbuka. Bila tegangan sinusoidal Vp dihubungkan pada sisi primer maka arus magnetisasi im, yang juga

sinosoidal mengalir dalam kumparan primer. Arus ini akan menimbulkan mmf pada kumparan primer, yang juga sinusoidal yang dinyatakan oleh :

𝑀𝑀𝑝𝑝 = 𝑁𝑁𝑝𝑝 𝑖𝑖𝑚𝑚………..……….(2.2)

dimana : 𝑀𝑀_𝑝𝑝 = mmf pada sisi primer

Np = jumlah belitan pada kumparan primer im = arus magnetisasi

Gambar 2.6 Trafo ideal dalam keadaan tidak berbeban [3]

mmf ini akan menghasilkan ø, yang juga sinusoidal, yang dinyatakan oleh :

ø = ømaks sin wt…..………..……(2.3) dimana :

ø = fluksi yang dihasilkan kumparan primer ømaks = fluksi maksimum

w = frekuensi sudut dalam rad/sek yang dinyatakan oleh: w = 2πf

Fluksi ini dicakup oleh kumparan primer dan sekunder, sehingga dibangkitkan tegangan induksi pada kedua kumparan tersebut. Tegangan induksi pada kumparan primer dan sekunder tersebut adalah :

𝑒𝑒𝑝𝑝 = −𝑁𝑁𝑝𝑝𝑑𝑑∅_{𝑑𝑑𝑑𝑑} = −𝑁𝑁𝑝𝑝𝜔𝜔 ∅maks cos ωt………(2.4)

𝑒𝑒𝑠𝑠 = −𝑁𝑁𝑠𝑠𝑑𝑑∅_{𝑑𝑑𝑑𝑑} = −𝑁𝑁𝑠𝑠𝜔𝜔 ∅maks cos ωt………..………(2.5)

dimana :

ep = tegangan induksi pada kumparan primer

es = tegangan induksi pada kumparan sekunder Ns = jumlah belitan dari kumparan sekunder

Perbandingan transformasi antara tegangan induksi di primer dan sekunder adalah: 𝐸𝐸𝑝𝑝 𝐸𝐸𝑠𝑠 = 𝑁𝑁𝑝𝑝 𝑁𝑁𝑠𝑠 = 𝑎𝑎………(2.6) dimana: 𝑎𝑎 = rasio transformasi

Ep= harga efektif dari tegangan induksi primer

Es= harga efektif dari tegangan induksi sekunder

Tegangan induksi rms pada kumparan primer dan sekunder adalah:

𝐸𝐸𝑝𝑝 =𝐸𝐸𝑝𝑝−𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑠𝑠_√2 = √2 𝜋𝜋 𝑓𝑓 𝑁𝑁𝑝𝑝∅𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑠𝑠………(2.7)

𝐸𝐸𝑝𝑝 =𝐸𝐸𝑝𝑝−𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑠𝑠_√2 = √2 𝜋𝜋 𝑓𝑓 𝑁𝑁𝑝𝑝∅𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑠𝑠………(2.8)

2.6.3 Trafo Ideal Berbeban

Bila kontak S ditutup, seperti terlihat dalam Gambar 2.7, maka trafo terhubung dengan beban. Karena tahanan kumparan adalah 0, maka :

Gambar 2.7 Trafo ideal dalam keadaan berbeban [3]

Vs = Es……….………(2.9)

dimana : Vs = tegangan jepitan rms dari kumparan sekunder.

Untuk trafo ideal, Im = 0 : 𝑉𝑉𝑝𝑝 𝑉𝑉𝑠𝑠 = 𝐸𝐸𝑝𝑝 𝐸𝐸𝑠𝑠 = 𝑁𝑁𝑝𝑝 𝑁𝑁𝑠𝑠 = 𝐼𝐼𝑠𝑠 𝐼𝐼𝑝𝑝 = 𝑎𝑎………(2.10)

2.6.4 Karakteristik Trafo Ideal

Trafo ideal mempunyai karakteristik sebagai berikut :

I. Tegangan pada kumparan-kumparan dari trafo ideal berbanding lurus dengan jumlah belitan dari kumparan-kumparannya.

𝑉𝑉𝑝𝑝 𝑉𝑉𝑠𝑠 = 𝐸𝐸𝑝𝑝 𝐸𝐸𝑠𝑠 = 𝑁𝑁𝑝𝑝 𝑁𝑁𝑠𝑠 = 𝑎𝑎……….………(2.11)

II. Arus dalam kumparan-kumparan trafo ideal berbanding terbalik dengan jumlah belitan dari kumparan-kumparannya.

𝑁𝑁𝑝𝑝 𝑁𝑁𝑠𝑠 =

𝐼𝐼𝑠𝑠

𝐼𝐼𝑝𝑝 = 𝑎𝑎………….………(2.12)

III. Dari persamaan diatas, maka didapat :

vp ip = vs is……….………(2.13) atau

Vp Ip = Vs Is………(2.14)

Jadi, daya input sesaat dari trafo ideal sama dengan daya output sesaat dari trafo tersebut. [3]

2.7 Trafo Tidak Ideal 2.7.1 Arus magnetisasi

Arus magnetisasi adalah arus yang menghasilkan mmf, yang selanjutnya menghasilkan fluksi. Ditinjau dari gambar rangkaian dibawah, bila rangkaian primer diberi tegangan ac satu-fasa, vp, maka arus magnetisasi, im, akan mengalir

melalui kumparan primer. Arus magnetisasi ac ini akan menyebabkan loop hysterisisi dalam inti seperti dalam Gambar 2.9:

Gambar 2.9 Loop histerisis dari trafo tidak ideal [2] Fluksi yang dihasilkan oleh arus magnetisasi dapat dinyatakan oleh :

𝑖𝑖𝑚𝑚 = ∅ 𝑅𝑅_{𝑁𝑁𝑝𝑝}………(2.15)

Bila kumparan medan mendapatkan penguatan oleh arus ac, maka akan terjadi loop histerisis. Loop histerisis yang terjadi akan menimbulkan kerugian histerisis. Disamping itu, fluksi yang terjadi didalam inti trafo akan menyebabkan jugi rugi arus eddy yang akan menimbulkan rugi daya arus eddy. Kedua rugi ini dikenal sebagai rugi inti. Dimana rugi inti dapat dituliskan sebagai :

Pc = Ph + Pe………(2.16)

dimana : Pc = rugi inti

Ph = rugi hysterisis

Pe = rugi arus eddy

Rugi besi dapat dinyatakan sebagai rugi pada tahanan fiktif Rc dengan Ic yang

melewati tahanan tersebut. Karena itu arus tersebut dapat dinyatakan dengan: 𝐼𝐼𝑐𝑐 =_𝐸𝐸𝑃𝑃𝑐𝑐₁ = 𝐼𝐼2𝑐𝑐 𝑅𝑅𝑐𝑐………(2.17)

2.7.2 Arus Eksitasi

Arus eksitasi adalah arus yang mengalir dalam kumparan primer dari trafo dalam keadaan tidak berbeban. Arus ini terdiri dari dua komponen, yakni arus magnetisasi dan arus rugi inti. Arus rugi inti adalah komponen yang menghasilkan rugi daya inti. Arus eksitasi dinyatakan dengan : [3]

ie = ic + im………..………(2.18)

2.8 Rangkaian Ekivalen Trafo

Dalam pembahasan ini akan dijelaskan tentang rangkaian ekivalen trafo, yang merupakan rangkaian pengganti seperti yang terlihat pada Gambar 2.9, yang bisa digunakan untuk melakukan analisis terhadap kinerja trafo. Rangkaian ini dibentuk dengan menghilangkan rangkaian magnetik dari trafo, sehingga terjadilah rangkaian ekivalen dari trafo yang lebih sederhana, yang hanya terdiri dari rangkaian elektrik saja. [3]

Gambar 2.9 Gambar rangkaian ekivalen transformator [3] 2.9 Rating Trafo

Rating trafo adalah harga maksimum yang diijinkan pada saat trafo dioperasikan. Bila harga rating dilampaui dalam waktu operasi yang lama, maka akan terjadi kerusakan, sehingga umur dari trafo menjadi berkurang.

Tiap pabrik dari trafo memasang plat nama (name plate) yang ditempelkan pada bagian luar dari trafo. Plat nama berisikan informasi tentang rating output daya,

rating tegangan, rating frekuensi, dan lain sebagainya. Plat nama pada trafo beri informasi seperti berikut : 20 kVA, 3500/ 220 V, 50 Hz

Disini, 20 kVA adalah rating output daya pada terminal sekunder. Perlu dicatat bahwa rating output dinyatakan dalam kVA, dan bukannya dalam kW. Ini disebabkan oleh kenyataan bahwa rating output pada trafo dibatasi oleh pemanasan dan karenanya oleh rugi daya dalam trafo. Rugi trafo ini terdiri dari tegangan trafo (rugi besi) dan arus (rugi I2R) dan hampir tidak disebabkan oleh faktor kerja. Sebagai konsekuensinya rating output dinyatakan dalam kVA dan bukan dalam kW. Pada faktor kerja nol, trafo dapat dioperasikan pada kV rated, dengan daya nol.[3]

2.10 Rugi-rugi Trafo

Rugi-rugi daya transformator berupa rugi inti atau rugi besi dan rugi tembaga yang terdapat pada kumparan primer maupun kumparan sekunder. Untuk memperkecil rugi-rugi tembaga harus diambil kawat tembaga yang penampangnya cukup besar untuk mengalirkan arus listrik yang diperlukan. Pada keadaan tanpa beban, besarnya daya adalah ;

P = V I cos ∅………(2.19) Dimana, cos ∅ = faktor kerja

Dari persamaan diatas didapat:

S = √3 VI……….………(2.20) Maka,

Tujuan utama dari perancangan listrik adalah untuk mengurangi berbagai kerugian, yang mana walaupun dalam presetasi adalah kecil, mungkin harganya sangat besar pada transformator yang lebih besar. Adapun rugi-rugi transformator antara lain :

2.10.1 Rugi Tembaga ( 𝑷𝑷_{𝒄𝒄𝒄𝒄} )

Rugi ini disebabkan arus beban mengalir pada kawat tembaga, dapat ditulis sebagai berikut :

𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐼𝐼2𝑅𝑅 ………..………(2.22)

Karena arus beban berubah-ubah, maka rugi tembaga pada setiap perubahan beban dapat ditentukan dengan persamaan:

𝑃𝑃𝑑𝑑2 = �𝑆𝑆_𝑆𝑆2 1�

2

x 𝑃𝑃_𝑑𝑑1………(2.23) Keterangan :

Pt2 = Rugi − rugi tembaga pada saat pembebanan tertentu

Pt1 = Rugi − rugi tembaga beban penuh

S2 = Beban yang dioperasikan

S1 = Nilai pengenal

2.10.2 Rugi Besi (𝑷𝑷_𝒊𝒊)

Sedangkan untuk rugi-rugi inti (rugi besi) dalam keadaan normal selalu konstan tidak tergantung terhadap besarnya perubahan beban dan rugi ini dapat dikelompokkan dalam dua bagian yaitu:

a. Rugi Histerisis (𝑷𝑷_𝒉𝒉)

Rugi ini akibat dari inti besi menerima fluksi bolak-balik, yang dinyatakan dengan persamaan:

dimana:

f = frekuensi jala-jala (Hz)

B = kerapatan fluksi (Tesla)

H = intensitas medan magnet (A/m)

Atau

Ph = Kh f B*maks (Watt/ m3) ………..……..………(2.25)

dimana :

Kh = konstanta histerisis

* = konstanta histerisis tambahan yang besarnya antara 1,6-3,0

Bmaks = kerapatan fluksi maksimum

b. Rugi-rugi Arus Pusar (Eddy current) Pe

Pe = Ke f2 B2maks ( watt/ m3) ………(2.26)

dimana :

Ke = konstanta arus pusar

f = frekuensi jala-jala t = ketebalan laminasi

Bmaks = kerapatan fluksi maksimum

Jadi rugi-rugi inti dapat dihitung dengan menjumlahkan rugi-rugi hysteresis dengan rugi-rugi arus pusar sebesar : [3,4]

Pi = Ph + Pe ………(2.27)

2.11 Efisiensi Trafo

Efisiensi menunjukkan tingkat keefisienan kerja suatu peralatan dalam hal ini transformator yang merupakan perbandingan rating output (keluaran) terhadap

𝜂𝜂 = �_𝑃𝑃 𝑃𝑃0

0+ Σ𝑟𝑟𝑐𝑐𝑟𝑟𝑖𝑖� x 100% ………(2.28)

dimana;

𝑃𝑃0 = daya keluaran (output)

𝑃𝑃𝑖𝑖 = daya masukan (input)

Σ𝑟𝑟𝑐𝑐𝑟𝑟𝑖𝑖 = 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶+ 𝑃𝑃𝑖𝑖 ………(2.29)

dimana:

𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶 = Rugi tembaga

𝑃𝑃𝑖𝑖 = Rugi Besi

Jika dimisalkan daya keluaran adalah 𝑉𝑉₂𝐼𝐼₂ cos 𝜃𝜃 dan rugi-rugi adalah rugi besi (𝑃𝑃₁) sedang rugi-rugi tembaga (𝑃𝑃_{𝐶𝐶𝐶𝐶}) dinyatakan dengan 𝐼𝐼₂𝑅𝑅_{2𝑒𝑒𝑚𝑚} , maka efisiensi dapat dinyatakan :

𝜂𝜂 = 𝑉𝑉2𝐼𝐼2 cos 𝜃𝜃

𝑉𝑉2𝐼𝐼2cos 𝜃𝜃+𝐼𝐼22𝑅𝑅2𝑒𝑒𝑚𝑚 + 𝑃𝑃𝑖𝑖………(2.30)

Agar efisiensi maksimum :

𝑑𝑑 𝑑𝑑𝐼𝐼2�𝐼𝐼2𝑅𝑅2𝑒𝑒𝑚𝑚 + 𝑃𝑃𝑖𝑖 𝐼𝐼2� = 0……….………(2.31) Jadi, 𝑅𝑅2𝑒𝑒𝑚𝑚 = _𝐼𝐼𝑃𝑃₂𝑖𝑖2……….………(2.32) 𝑃𝑃𝑖𝑖 = 𝐼𝐼22𝑅𝑅2𝑒𝑒𝑚𝑚 = 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶 ……….…………(2.33)

Artinya, untuk beban tertentu, efisiensi maksimum terjadi ketika rugi tembaga = rugi inti.[4]

2.12 Testing Trafo

2.12.1 Tes Hubungan Terbuka

Dalam tes ini, tegangan rating dipasangkan pada suatu kumparan, biasanya kumparan dengan tegangan rendah untuk alasan keselamatan, sedangkan kumparan lain dibiarkan terbuka. Arus beban nol relatif kecil (2-6 % dari arus

rating), sehingga rugi tembaga bisa diabaikan selama tes. Karena itu daya input

yang diberikan kepada trafo menyatakan rugi inti semata. Diagram dari rangkaian pengukuran dilukiskan dalam Gambar 2.10. Dalam diagram ini, Wattmeter menunjukkan rugi inti. Voltmeter akan membaca tegangan rating, yang bersama dengan pembacaan amperemeter akan memberikan data yang perlu untuk mendapatkan informasi tentang cabang magnetisasi, bila diperlukan.

(a) rangkaian untuk tes (b)rangkaian ekivalen untuk hubungan terbuka Gambar 2.10 Diagram untuk tes hubungan terbuka [3]

Rugi inti bisa diukur pada sisi lain dari trafo. Misalkan suatu trafo 2400/240 V dilakukan pengetesan, tegangan akan dipasangkan pada sisi sekunder, karena tegangan 240 V umumnya telah tersedia. Bila tegangan untuk tes lebih kecil dari 240V, bila dipasang autotrafo untuk maksud itu, rugi inti yang diukur pada salah satu sisi trafo adalah sama. Karena tegangan 240V dipakai pada kumparan yang mempunyai jumlah belitan yang lebih kecil daripada kumparan dengan tegangan tinggi. Jadi rasio volt/belitan adalah sama. Ini berarti bahwa harga maksimum dari inti adalah sama untuk tiap keadaan, dimana rugi inti

Pembacaan ammeter menunjukkan arus nol beban nol atau arus eksitasi Ie. Karena

arus eksitasi masih kecil, maka drop tegangan pada impedansi bocor diabaikan. Dan untuk praktis, rangkaian ekivalen trafo pada pengetesan dimodifikasi ke dalam rangkaian Gambar 2.11, maka:

Pc = V1 Ie cos 𝜑𝜑₀………(2.34)

dimana :

V1 = tegangan rating

Ie = arus eksitasi (arus hub terbuka)

Pe = rugi besi

Faktor kerja dari trafo adalah :

cos 𝜑𝜑0 =_{𝑉𝑉1 𝐼𝐼𝑒𝑒}𝑃𝑃𝑐𝑐 ………(2.35)

Maka, dari Gambar (b) dapat dituliskan persamaan berikut ini :

Ic = Ie cos 𝜑𝜑₀……….………(2.36)

Im = Ie sin 𝜑𝜑₀………..………(2.37)

Arus pada tahanan Rc adalah :

𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑉𝑉 2₁ 𝑃𝑃𝑐𝑐 = 𝑃𝑃𝑐𝑐 (𝐼𝐼𝑒𝑒 cos 𝜑𝜑0)2= 𝑉𝑉1 𝐼𝐼𝑐𝑐………(2.38)

Dan reaktansi magnetisasi Xm adalah :

𝑋𝑋𝑚𝑚𝑐𝑐 = _𝐼𝐼𝑉𝑉_𝑚𝑚1………(2.39)

Subscript L pada Rc dan Xm digunakan semata-mata untuk memberikan penekanan

bahwa harga tersebut untuk sisi tegangan rendah. Perlu diingat bahwa harga Rc

dan Xm secara umum, ditinjau dari sisi dimana alat-alat ukur ditempatkan (dalam

sekunder yang terbuka, agar menentukan rasio transformasi. Jadi tes hubungan terbuka memberikan informasi sebagai berikut : [3]

• Rugi inti pada tegangan rating

• Parameter pada cabang magnetisasi pada tegangan dan frekuensi rating, yakni Rc dan Xm

• Rasio transformasi dari transformator.

2.12.2 Tes Hubung Singkat

Tes kedua yang dibutuhkan untuk menentukan parameter rangkaian ekivalen adalah tes hubungan singkat, dimana diagram rangkaian pengetesan digambarkan dalam Gambar (a). Dalam gambar tersebut, terlihat bahwa kumparan dengan tegangan rendah dihubung singkat. Tegangan pada kumparan dengan tegangan tinggi diatur sehingga arus rating mengalir dalam ammeter. Dalam kondisi ini, impedansi trafo semata-mata aadalah impedansi ekivalen, seperti terlihat dalam Gambar 2.11. Pelaksanaan testing dengan tegangan tinggi adalah salah satu cara yang paling sesuai karena tegangan yang dipakai bisa diatur hanya beberapa persen dari tegangan rating. Jadi dengan pengukuran trafo dari 2400/240 V adalah lebih mudah dan akurat berhubungan dengan 5% dari 2400V V=120 daripada dengan tegangan 5% dari 240V=12 V.

(a) rangkaian untuk tes (b) rangkaian ekivalen untuk hubungan tertutup Gambar 2.11 Diagram untuk tes hubungan tertutup[3]

Dengan menurunkan arus primer besar sekali, maka fluksi akan turun dalam jumlah yang sesuai. Karena rugi inti agak berbanding lurus dengan kuadrat dari fluksi, dia secara praktis mempunyai harga nol. Jadi, wattmeter yang dipakai untuk mengukur daya input hanya akan mencatat rugi tembaga saja, daya output adalah nol. Dari data input watt, arus dan tegangan, resistansi dan reaktansi ekivalen bisa dihitung, semua dalam sisi tegangan tinggi.

Pembacaan alat ukur bisa dikoreksi bila dibutuhkan. Misal Vsc, Isc dan Psc adalah pembacaan voltmeter, ammeter dan wattmeter, maka dari Gambar 2.12 berlaku:

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen untuk hubungan tertutup[3]

𝑍𝑍𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒 = 𝑉𝑉_{𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐}𝑠𝑠𝑐𝑐 ………(2.40)

𝑅𝑅𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒 = _𝐼𝐼𝑉𝑉_{2𝑠𝑠𝑐𝑐}𝑠𝑠𝑐𝑐……….………(2.41)

𝑋𝑋𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒 = �𝑍𝑍2𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒 − 𝑅𝑅2𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒………(2.42)

Disini RekH, XekH, ZekH berturut-turut adalah tahanan ekivalen, reaktansi ekivalen, dan impedansi ekivalen ditinjau dari sisi tegangan tinggi. Parameter-parameter ini dapat juga dinyatakan dalam sisi tegangan rendah bila dikehendaki. Dalam analisis dari rangkaian ekivalen trafo, harga dari tahanan ekivalen dan reaktansi ekivalen ditinjau dari sisi yang lain digunakan. Namun, bila parameter

impedansi bocor untuk kedua sisi primer dan sekunder dipisahkan, maka diambil: [3]

R1 = R2 = Rek / 2………(2.43) X1 = X2 = Xek / 2 ………(2.44)