BAB II TRANSFORMATOR. dan mengubah energi listrik bolak-balik (arus dan tegangan) dari satu atau lebih

BAB II

TRANSFORMATOR

II.1 UMUM

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 satu fasa 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 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 pada 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 rugi-rugi daya sebesar I2R dalam watt. Rugi-rugi ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan setinggi mungkin. Dengan

demikian maka saluran-saluran transmisi tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi. Tegangan transmisi yang tertinggi di Indonesia saat ini adalah 500 kV. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi rugi-rugi daya yang terjadi. Dan menaikkan tegangan listrik di pusat pembangkit listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 kV sampai 23 kV pada pangkal saluran transmisi, kemudian menurunkannya lagi pada ujung saluran itu ke tegangan yang lebih rendah, yang dilakukan dengan menggunakan transformator.

Transformator yang digunakan pada jaringan tenaga listrik merupakan transformator tenaga. Di samping itu ada jenis-jenis transformator lain yang banyak dipergunakan dan pada umumnya merupakan transformator yang jauh lebih kecil. Misalnya dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk memisahkan suatu rangkaian dari rangkaian yang lain dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.

II.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR

Pada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Berdasarkan letak kumparan terhadap inti, transformator terdiri dari dua macam konstruksi, 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 eddy current.

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.

Tipe Cangkang (Shell Form)

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

Gambar 2.3. Konstruksi 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.

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. 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 dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi).

Dimana : e = gaya gerak listrik (volt) N = jumlah lilitan (turn)

dt dφ

= perubahan fluks magnet (weber/sec)

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 atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.

Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis (common magnetic circuit).

II.3.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan

1

V yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I (arus eksitasi) yang juga ₀

sinusoidal, dan dengan menganggap belitan N reaktif murni, ₁ I akan tertinggal ₀ 90o dari V . ₁

Arus primer I menimbulkan fluks (φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal. ₀ Fluks bolak-balik ini akan memotong kumparan primer dan kumparan sekunder, dan harganya naik turun dalam arah bolak-balik, sehingga menginduksikan ggl pada kedua lilitan tersebut. Ggl yang diinduksikan dalam kumparan primer akan melawan tegangan V yang dikenakan. ₁

φ

V1 I1

N1 E1 E2 N2 V2

Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi е1 (Hukum Faraday). dt d N e₁ = − _1. φ dt t d N e1 = − 1 φmaxsinω t N

e₁ = − ₁ω φ_maxcosω (tertinggal 90o dari φ) ) 90 ( sin max 1 1 ο φ ω − = N wt e ………..(2.3)

Dimana : e = gaya gerak listrik (volt) ₁

1

N = jumlah belitan di sisi primer (turn)

ω = kecepatan sudut putar (rad/sec) φ = fluks magnetik (weber)

Harga efektifnya (rms) : 2 max 1 1 φ ω N E = 2 2 _max 1 1 φ π f N E = 2 14 , 3 2 _max 1 1 φ f N E = × 2 28 , 6 _max 1 1 φ f N E = max 1 1 4,44 N fφ E = (volt) ……….(2.4)

Pada rangkaian sekunder, fluks (φ) bersama tadi juga menimbulkan : dt d N e₂ = − ₂ φ t N e2 =− 2ω φmax cosω Harga efektifnya (rms) : max 2 2 4,44N fφ E = (volt) ………..(2.5)

Karena kedua kumparan dipotong oleh fluks yang sama, maka ggl yang diinduksikan dalam setiap lilit dari kumparan adalah sama. Maka tegangan setiap lilit dalam kedua kumparan berturut-turut adalah

1 1 N E dan 2 2 N E , sehingga : 2 1 2 1 N N E E = ………..(2.6)

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor, maka :

a N N V V E E _{= = =} 2 1 2 1 2 1 _{………...(2.7)}

Dimana : E = ggl induksi di sisi primer (volt) ₁

2

E = ggl induksi di sisi sekunder (volt)

1

V = tegangan terminal sisi primer (volt)

2

V = tegangan terminal sisi sekunder (volt)

1

N = jumlah belitan sisi primer (turn)

2

N = jumlah belitan sisi sekunder (turn)

Dalam kenyataannya, arus primer I bukanlah merupakan arus induktif murni, ₀ sehingga terdiri dari dua komponen (Gambar 2.6) :

1. Komponen arus pemagnetan I , yang menghasilkan fluks (φ). Karena _M sifat inti besi yang non-linier, maka arus pemagnetan I dan juga fluks _M (φ) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoidal.

2. Komponen arus rugi tembaga I , menyatakan adanya daya yang hilang _C akibat adanya rugi hysteresis dan eddy current. I sefasa dengan _C V , ₁ dengan demikian hasil perkaliannya (I_C× ) merupakan daya yang V₁ hilang. E1 IM φ Io Io IM IC RC XM V1 IC V1

II.3.2 Keadaan Transformator Berbeban

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z , maka _L I akan ₂

mengalir pada kumparan sekunder, dimana :

L Z V I₂= 2 . φ1 φ2 V1 I1 N1 E1 E2 N2 I2 V2 φ2’ ZL

Gambar 2.7. Transformator dalam keadaan berbeban

R1 X1 R2 X2

RC XM ZL

I1 Io I2’

IC IM

V1 V2

Gambar 2.8. Rangkaian ekivalen transformator berbeban

Arus beban I ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) ₂ N₂ I₂ yang cenderung menentang fluks (φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus

mengalir arus I , yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban 2' I , 2

sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi :

' 2 0

1 I I

I = + (ampere) ………..(2.8) Bila komponen arus rugi inti (I ) diabaikan, maka _C I0 = IM

Sehingga : I₁ = I_M + I₂' (ampere) ………...(2.9) Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM, maka berlaku hubungan :

M I N₁ = N₁I₁−N₂I₂ M I N₁ =

(

)

2 2 ' 2 1 I I N I N M + − ' 2 1I N = N₂ I₂ ...(2.10) Karena I dianggap kecil, maka _M I₂' = . Sehingga : I₁

1 1I N = N₂ I₂ ...(2.11) 1 1 I V = V₂ I₂ ...(2.12)

II.4 RANGKAIAN EKIVALEN TRANSFORMATOR

Dalam pembahasan sebelumnya kita telah mengabaikan adanya tahanan dan fluks bocor. Analisa selanjutnya akan memperhitungkan kedua hal tersebut. Tidak seluruh fluks (φ) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I merupakan fluks _M bersama (φM), sebahagian darinya hanya mencakup kumparan primer (φ1) atau

kumparan sekunder (φ2) saja. Dalam model rangkaian (rangkaian ekivalen) yang

dipakai untuk menganalisa kerja suatu transformator, adanya fluks bocor φ1 dan φ2

dengan R dan ₁ R . Dengan demikian model rangkaian dapat digambarkan seperti ₂ pada Gambar 2.9. R1 X1 R2 X2 RC XM I1 Io I2’ IC IM V1 E1 E2 ZL V2 N1 N2 I2

Gambar 2.9. Model rangkaian ekivalen transformator

Io φo E2 V1 IM E1 I1R1 I1X1 I1 I2’ I2 ϕ IC I2R2 I2X2 V2

Gambar 2.10. Diagram vektor model rangkaian ekivalen transformator

Dari model rangkaian di atas dapat pula diketahui hubungan penjumlahan vektor :

1

V = E₁ + I₁R₁ + I₁ X₁ ...(2.13)

2

E = V₂ + I₂R₂ + I₂ X₂ ...(2.14) Dimana : E = ₁ aE₂

Maka, E = ₁ a

(

I₂Z_L+I₂R₂+I₂ X₂

)

2 I = ' 2 I a Sehingga : E = ₁ a2 I₂' Z_L+a2I₂' R₂+a2I₂' X₂ ...(2.15) 1 V = a2 I₂' Z_L+a2I₂' R₂+a2I₂' X₂+I₁R₁+I₁ X₁ ...(2.16) Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a , dimana 2

2 1

E E

a= . Sekarang model

rangkaian menjadi seperti terlihat pada gambar berikut.

R1 X1 a 2 R2 a 2 X2 RC XM a2Z_L I1 Io I2’ IC IM V1 aV2

Gambar 2.11. Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator

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

I1 Io IC IM RC XM V1 R1 X1 a2R2 a 2 X2 a2ZL aV2 I2’

Rangkaian di atas dapat disederhanakan dengan menggunakan R dan _ek X_ek, yang dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini.

2 2 1 a R R Rek = + (ohm) ...(2.17) 2 2 1 a X X Xek = + (ohm) ...(2.18)

Sehingga rangkaian di atas dapat diubah menjadi seperti gambar di bawah ini.

Rek Xek

RC XM a2Z

I1 Io I2’

IC IM

V1 aV2

Gambar 2.13. Penyederhanaan akhir rangkaian ekivalen transformator

II.5 RUGI-RUGI DAN EFISIENSI TRANSFORMATOR

Transformator memberikan cara yang sederhana untuk mengubah tegangan bolak-balik dari suatu harga ke harga lainnya. Transformator tidak mempunyai bagian yang bergerak, sehingga hanya memerlukan sedikit perhatian dan biaya pemeliharaan yang rendah. Walaupun efisiensi transformator cukup tinggi, namun kerugian akan selalu ada pada setiap transformator.

II.5.1 Rugi-rugi Transformator

Rugi-rugi pada transformator dapat diklasifikasikan atas rugi-rugi primer, rugi-rugi sekunder dan rugi-rugi inti (besi). Rugi-rugi primer dan sekunder adalah rugi-rugi daya nyata I2R dalam watt. Rugi-rugi ini akibat resistansi dari

masing-masing belitan, yaitu belitan primer dan sekunder. Apabila transformator tidak dibebani, maka rugi-rugi daya pada sekunder adalah nol. Berikut sekema dari rugi-rugi yang ada pada transformator.

Sumber Kumparan Primer Fluks Bersama Kumparan Sekunder

Rugi Besi : Rugi Hysteresis Rugi Eddy Current

Rugi Tembaga Rugi Tembaga

Rugi Fluks Bocor

Output

Gambar 2.14. Blok diagram rugi-rugi pada transformator

Rugi Tembaga (PCu)

Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut :

R I

P_Cu = 2 (watt) ...(2.19) Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan. Karena arus beban berubah-ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini merupakan resistansi AC.

Rugi Besi (Pi)

Rugi inti atau rugi besi pada transformator juga adalah rugi dalam watt. Rugi inti pada transformator terdiri atas dua bagian, yaitu rugi hysteresis dan eddy current. Adapun penjelasan tentang kedua jenis rugi inti tersebut adalah sebagai berikut :

 Rugi Hysteresis, yaitu rugi yang disebabkan oleh fluks bolak-balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :

6 , 1 max 2 B f k Ph = h (watt) ...(2.20) Dimana : k = konstanta _h max

B = fluks maksimum (weber)

 Rugi Eddy Current, yaitu rugi yang disebabkan oleh arus pusar pada inti besi yang dinyatakan sebagai :

2 max 2 B f k Pe = e (watt) ...(2.21) Dimana : k = konstanta _e max

B = fluks maksimum (weber) Jadi, rugi besi (rugi inti) adalah :

e h

i P P

P = + (watt) ...(2.22)

II.5.2 Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator adalah perbadingan antara keluaran daya yang berguna dan masukan daya total. Karena masukan ke transformator sama dengan keluaran daya yang berguna ditambah kerugiannya, maka persamaan efisiensi dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut :

η = ×100% in out P P η = ×100% Σ + rugi P P out out _...(2.23)

Dimana : P_in = daya input transformator (watt)

out

P = daya output transformator (watt)

∑

rugi = P_Cu +P_i

Perubahan Efisiensi Terhadap Beban

Perubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai :

2 2 2 2 2 cos cos I P R I V V i ek + + = ϕ ϕ η ...(2.24)

Melalui penurunan persamaan di atas dapat dicari nilai efisiensi maksimum untuk beban tertentu, yaitu pada saat rugi tembaga = rugi inti.

Agar η maksimum, maka :

0 2 2 2 2 =       + I P R I dI d i ek ...(2.25) Jadi, 2 2 2 I P R i ek = Cu ek i I R P P = 2 = 2 2 ...(2.26)

Perubahan Efisiensi Terhadap Faktor Kerja (Cos ϕ) Beban

Perubahan efisiensi terhadap faktor kerja (cos ϕ) beban dinyatakan sebagai :

∑

∑

+ − = rugi I V rugi ϕ η cos 1 2 2

η = 2 2 2 2 cos 1 I V rugi I V rugi

∑

∑

+ − ϕ Bila : X =

∑

= 2 2 I V rugi konstan Maka, η = X X + − ϕ cos 1 ...(2.27)

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 transformator dijodohkan dengan kumparan sekundernya. Hendaknya dicatat bahwa pada transformator tiga fasa ini besar tegangan antar fasa (V_L−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.

II.6.2 Konstruksi Transformator Tiga Fasa

Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan pada transformator tiga fasa diperlihatkan pada Gambar 2.15 dan 2.16 berikut ini.

SEKUNDER PRIMER

R S

r s t

T

R S T r s t PRIMER SEKUNDER

Gambar 2.16. Transformator tiga fasa tipe cangkang

Pada jenis inti (core type) kumparan dililitkan di sekitar dua kaki inti magnetik persegi, sedangkan pada jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silicon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi di bawah beberapa ratus hertz. Silicon-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.

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. Pada 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 Pada 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. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta.

Hubungan Wye

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

E1 E1 E1 Z01 Z01 Z01 R N S T IR IN IS IT

Dari gambar di atas dapat diketahui sebagai berikut : T S R L I I I I = = = (ampere) ...(2.28) φ I IL = (ampere) ...(2.29)

Dimana : I = arus line to line (ampere) _L

φ

I = arus line to neutral (ampere)

Dan, V_RS = V_ST = V_TR = V_L (volt) ...(2.30)

1

3

3V E

V_L = _φ = (volt) ...(2.31) Dimana : V_L = tegangan line to line (volt)

φ

V = tegangan line to neutral (volt)

Hubungan Delta

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

E1 E1 E1 Z01 Z01 Z01 IR R IS S IT T

Dari gambar di atas dapat kita ketahui sebagai berikut : L T S R I I I I = = = (ampere) ...(2.32) φ I I_L = 3 (ampere) ...(2.33) Dimana : I = arus line to line (ampere) _L

φ

I = arus line to neutral (ampere)

Dan, V_RS = V_ST = V_TR = V_L (volt) ...(2.34)

1 E V

VL = φ = (volt) ...(2.35)

Dimana : V = tegangan line to line (volt) _L

φ

V = tegangan line to neutral (volt)

II.6.4 Macam Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa

Di dalam pelaksanaannya, tiga buah belitan fasa pada sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti hubungan wye (Y) dan hubungan delta (∆), dengan kombinasi hubungan wye-wye (Y-Y), hubungan wye-delta (Y-Δ), hubungan delta-wye (Δ-Y) dan hubungan delta-delta (Δ-Δ), bahkan untuk kasus-kasus tertentu belitan sekunder dapat dihubungkan secara berliku-liku (zig-zag) sehingga diperoleh kombinasi ∆-Z dan Y-Z.

Hubungan zig-zag merupakan hubungan wye “istimewa”. Hubungan ini untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara wye dengan beban setiap fasanya tidak seimbang.

Hubungan Wye-Wye

Hubungan Y-Y pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.19 di bawah ini. NP1 NP2 NP3 NS1 NS2 NS3 a' + b' + c' a b + c -VφP VφS VLP VLS

Gambar 2.19. Transformator hubungan Y-Y

Pada hubungan Y-Y, tegangan primer pada masing-masing fasa adalah :

3

LP P

V

V_φ = ...(2.36)

Tegangan fasa primer sebanding dengan tegangan fasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah : a V V V V S P LS LP = = φ φ 3 3 ...(2.37)

Pada hubungan Y-Y ini, jika beban transformator tidak seimbang, maka tegangan pada fasa transformator menjadi tidak seimbang.

Hubungan Wye-Delta

Hubungan Y-Δ pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.20 di bawah ini. NP1 NP2 NP3 a b c VφP VLP NS1 NS2 NS3 a' b' c' VφS VLS

Gambar 2.20. Transformator hubungan Y-Δ

Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan fasa primer V_LP = 3V_φP dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan fasa V_LS = V_φS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan ini adalah sebagai berikut :

a V V V V S P LS LP 3 3 = = φ φ ...(2.38)

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

Hubungan Delta-Wye

Hubungan Δ-Y pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.21 di bawah ini. NP1 NP2 NP3 NS1 NS2 NS3 + a' - b' c' a + b -c VφP VφS VLP VLS

Gambar 2.21. Transformator hubungan Δ-Y

Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan fasa primer V_LP = Vφ_P dan tegangan sisi sekunder VLS = 3VφS. Maka perbandingan

tegangan pada hubungan ini adalah :

a V V V V S P LS LP 3 3 = = φ φ ...(2.39)

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

Hubungan Delta-Delta

Hubungan Δ-Δ pada transformator tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.22 di bawah ini. NP1 NP2 NP3 a + b -c VφP NS1 NS2 NS3 + a' - b' c' VφS VLS VLP

Gambar 2.22. Transformator hubungan Δ-Δ

Pada hubungan ini, tegangan kawat ke kawat dan tegangan fasa sama untuk primer dan sekunder transformator V_LP = Vφ_P dan VLS = VφS. Maka hubungan

tegangan primer dan sekunder transformator adalah sebagai berikut :

a V V V V S P LS LP = = φ φ ...(2.40)

Perbedaan fasa pada hubungan ini tidak ada dan stabil terhadap beban tidak seimbang dan harmonisa.

II.7 ISOLASI TRANSFORMATOR

Pada penghantar yang dilewati oleh arus listrik selalu terjadi kerugian daya. Kerugian daya ini selanjutnya didesipasikan dalam bentuk energi panas. Suatu bahan isolasi dapat rusak disebabkan oleh panas dalam kurun waktu tertentu. Waktu tersebut dikatakan sebagai umur panas bahan isolasi. Sedangkan

kemampuan bahan menahan suatu panas tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas (heat resistance).

Tabel 2.1. Klasifikasi bahan isolasi menurut IEC

Kelas Bahan Suhu kerja

maks.

Y

Katun, sutera alam, wolsintetis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, karet.

90o C

A

Bahan kertas Y yang diimpregnasi dengan vernis, aspal, minyak transformator.

Email yang dicampur dengan vernis dan poliamid.

105o C

E

Email kawat yang terbuat dari : polivinil formal, poli urethan dan damar, bubuk plastik, bahan selulosa pengisi partinaks, tekstolit, triasetat, polietilen tereftalat.

120o C

B

Bahan anorgnik (mika, fiberglas, asbes) bitumen, bakelit, poli monochloro tri flour etilen, poli etilen tereftalat, poli karbonat, sirlak.

135o C

F

Bahan-bahan anorganik yang diimpregnasi atau direkat dengan epoksi, poliurethan, atau vernis dengan ketahanan panas yang tinggi.

155o C

H

Mika, fiberglas dan asbes yang diimpregnasi dengan silicon tanpa campuran bahan berserat, karet silicon, email kawat poliamid murni.

180o C

C

Bahan-bahan anorganik tanpa impregnasi atau diikat dengan substansi organik, yaitu : mika, mikanit tahan panas, mikaleks, gelas, keramik, teflon (politetra flouroetilen) adalah satu-satunya substansi organik.

di atas 180o C

Bahan isolasi cair berfungsi sebagai pengisolasi sekaligus sebagai pendingin. Karena itu persyaratan untuk bahan cair yang dapat digunakan untuk isolasi antara lain mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas yang tinggi.

Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh dengan pemurnian minyak mentah. Sebagai bahan isolasi, minyak transformator harus mempunyai tegangan tembus yang tinggi. Ketahanan listrik minyak transformator dapat menurun karena pengaruh asam dan dapat pula karena kandungan air. Keasaman minyak transformator dapat dinetralisir dengan menggunakan potas hydroksida (KOH). Sedangkan kandungan air dalam minyak transformator dapat

dihilangkan dengan memakai bahan hygroskopis yaitu silica-gel.

Umumnya transformator distribusi, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak transformator, karena minyak transformator mempunyai sifat sebagai pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (tegangan tembus tinggi) sehingga minyak transformator tersebut berfungsi sebagai media pendingin sekaligus isolasi.

II.8 SISTEM PENDINGIN TRANSFORMATOR

Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu berlebihan, maka akan merusak isolasi di dalam transformator. Untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut, maka pada transformator perlu dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin yang dapat menyalurkan panas keluar dari transformator.

Media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa udara atau gas, minyak, air dan lain sebagainya. Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat secara alamiah (natural) atau secara paksaan/ tekanan.

Pada cara alamiah, pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat perpindahan panas dari media tersebut ke udara luar diperlukan bidang perpindahan panas yang lebih luas antara media dengan cara melengkapi transformator dengan sirip-sirip (radiator). Bila dinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara alamiah tersebut dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara dan air. Cara ini disebut pendinginan paksa (forced). Macam-macam sistem pendingin transformator berdasarkan media dan cara pengalirannya dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

Tabel 2.2. Macam sistem pendingin transformator menurut IEC

No.

MACAM SISTEM PENDINGIN

MEDIA

DI DALAM TRAFO DI LUAR TRAFO Sirkulasi Alamiah Sirkulasi Paksa Sirkulasi Alamiah Sirkulasi Paksa 1. AN - - Udara - 2. AF - - - Udara

3. ONAN Minyak - Udara -

4. ONAF Minyak - - Udara

5. OFAN - Minyak Udara -

6. OFAF - Minyak - Udara

7. OFWF - Minyak - Air

8. ONAN/ ONAF Kombinasi 3 dan 4

10. ONAN/ OFAF Kombinasi 3 dan 6 11. ONAN/ OFWF Kombinasi 3 dan 7

II.9 PERNAFASAN TRANSFORMATOR

Karena pengaruh naik turunya beban transformator maupun suhu udara luar, maka suhu minyak pun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya apabila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki. Kedua proses di atas disebut pernafasan transformator. Akibat pernafasan transformator tersebut, maka permukaan minyak akan selalu bersinggung dengan udara luar. Udara luar yang lembab akan menurunkan nilai tegangan tembus minyak transformator, maka untuk mencegah hal tersebut pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi dengan alat pernafasan berupa tabung yang berisi kristal zat hygroskopis.