BAB II
TRANSFORMATOR
2.1 Umum
Transformator merupakan suatu alat listrik statis, yang dipergunakan untuk
memindahkan daya dari suatu rangkaian ke rangkaian lain, dengan mengubah tegangan, tanpa mengubah frekuensi. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan yaitu kumparan perimer dan kumparan sekunder. Kedua kumparan ini tidak terhubung secara langsung. Satu-satunya hubungan antara kedua kumparan adalah fluks magnetik bersama yang terdapat dalam inti. Kumparan primer transformator dihubungkan ke sumber daya listrik bolak-balik dan kumparan sekunderdihubungkan ke beban dan jika terdapat kumparan ketiga, kumparan tersebut dinamakan kumparan tersier. Rasio perubahan tegangan tergantung pada rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan transformator.
Penggunaan transformator dalam bidang tenaga listrik sangat luas. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga yang sangat sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya dalam penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik, karena arus bolak–balik sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik terjadi kerugian sebesar I2R watt, kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan. Dengan demikian saluran-saluran tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi.
2.2 Konstruksi Transformator
2.2.1 Inti Besi
Inti besi dibentuk dari lempengan – lempengan besi tipis berisolasi yangdi susun sedemikian rupa untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh rugi arus eddy.Inti besi digunakan sebagai media jalannya flux yang timbul akibat induksi
arus bolakbalik pada kumparan yang mengelilingi inti besi sehingga dapat menginduksi kembali kekumparan yang lain.
2.2.2 Winding/ Kumparan
Pada suatu transformator terdapat lilitan kawat berisolasi yang membentuk suatukumparan. Kumparan transformator terdiri darikumparan primer dan kumparan sekunder yangdiisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat.Kumparan transformator digunakan sebagai alat transformasi tegangan dan arus. Kumparanterdiri dari batang tembaga berisolasi yang mengelilingi inti besi, dimana saat arus bolak balikmengalir pada belitan tembaga tersebut, inti besi akan terinduksi dan menimbulkan fluxmagnetik.
Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet, menghendaki adanyagandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan
magnet ini berupa intibesi tempat melakukan fluks bersama. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenaldua macam transformator, yaitu tipe inti (core) dan tipe cangkang (shell).
2.2.3 Bushing
2.2.4 Tangki Konservator
Saat terjadi kenaikan suhu operasi pada transformator, minyak isolasi akan memuaisehingga volumenya bertambah. Sebaliknya saat terjadi penurunan suhu operasi, maka minyakakan menyusut dan volume minyak turun. Konservator digunakan untuk menampung minyakpada saat transformator mengalamui kenaikan suhu.Seiring dengan naik turunnya volume minyak di konservator akibat pemuaian dan penyusutanminyak, volume udara didalam konservator pun akan bertambah dan berkurang. Penambahanatau pembuangan udara didalam konservator akan berhubungan dengan udara luar. Agarminyak isolasi transformator tidak terkontaminasi oleh kelembaban dan oksigen dari luar,maka udara yang akan masuk kedalam konservator akan difilter melalui silicagel.
2.2.5 Minyak & Kertas Isolasi
Minyak isolasi pada transformator digunakan sebagai media isolasi, pendingin danpelindung belitan dari peristiwa oksidasi. Minyak isolasi
transformator merupakan minyak mineral. Ada tiga jenis minyak trafo, yaitu parafinik, napthanik dan aromatik. Ketiga jenisminyak dasar tersebut tidak boleh dilakukan pencampuran karena memiliki sifat fisik dan sifatkimia yang berbeda. Tabel 2.1 adalah standart IEC 60422 tentang batasan-batasan minimum untuk minyak isolasi yang baru dimasukan kedalam peralatansebelum di-energize.
Tabel 2.1 Batasan minyak isolasi yang baru dimasukkan kedalamperalatan sebelum di-energize
Property
Highest voltage equipment
kV
Appearance <72.5 72.5 to 170 >170
Colour (on scale given in ISO
2049)
Max. 2.0 Max. 2.0 Max. 2.0
Breakdown Voltage (kV) >55 >60 >60
Water content mg/kg � <10
Property
Oxidation stability As specified IEC 60296
Interfacial tension (mN/m) Min. 35 Min. 35 Min. 35
Total PCB content (mg/kg) Not detectable (<2 total)
Particles - - See Table
8 �
2.2.6 Pendingin
Sebagai instalasi tenaga listrik yang dialiri arus maka pada transformator akan terjadipanas yang sebanding dengan arus yang mengalir serta temperatur udara disekelilingtransformator tersebut. Jika temperatur luar cukup tinggi dan beban transformator juga tinggimaka transformator akan beroperasi dengan temperatur yang tinggi pula.
Untuk mengatasi haltersebut transformator perlu dilengkapi dengan sistim pendingin yang bisa memanfaatkan sifatalamiah dari cairan pendingin dan dengan cara mensirkulasikan secara teknis, baik yangmenggunakan sistem radiator, sirip-sirip yang tipis berisi minyak dan dibantu denganhembusan angin dari kipas-kipas sebagai pendingin yang dapat beroperasi secara otomatisberdasarkan pada setting rele temperatur dan sirkulasi air yang bersinggungan dengan pipaminyak isolasi panas.
Minyak isolasi transformator selain merupakan media isolasi juga berfungsi sebagaipendingin. Pada saat minyak bersirkulasi, panas yang berasal dari belitan akan dibawa olehminyak sesuai jalur sirkulasinya dan akan didinginkan pada sirip – sirip radiator. Adapunproses pendinginan ini dapat
Tabel 2.2 Macam-Macam Pendingin pada Transformator
Tap changer merupakan peralatan bantu pada transformator yang digunakan untukmengatur tegangan keluaran yang sesuai dengan kebutuhan. Tap changer transformator terdiridari dua jenis yaitu:
a. Off Load Tap Changer
Tipe tap changer yang dapat beroperasi hanya pada saat keadaan tidak berbeban.Tipe off load tap changer hanyabisadioperasikansecara manual.
b. On Load Tap Changer
Pada Tabel 2.3 dibawah adalah data tap changer yang digunakan pada transformator daya.
Tabel 2.3 Data Tap Changer Transformator Daya
High Voltage
Tap changer terdiri dari :
a) Selector Switch
Merupakan rangkaian mekanis yang terdiri dari terminal terminal untuk menentukan posisi tapatau ratio belitan primer
b) Diverter Switch
Merupakan rangkaian mekanis yang dirancang untukmelakukan kontak atau melepaskan kontak dengan kecepatan yang tinggi.
c) Tahanan transisi
Merupakan tahanan sementara yang akan dilewati arus primer pada saat perubahan tap.
2.2.8 Indikator
1. Temperatur minyak.Temperatur minyak digunakan untuk mengetahui besar suhu panas yang dialami minyak transformator. Temperatur minyak juga berfungsi sebagai indikator untukmenghentikan sistem pendingin ONAF.
2. Temperatur belitan. Temperatur minyak digunakan untuk mengetahui besar suhupanas yang di alami belitan transformator. Temperatur belitan juga berfungsi sebagai indicatoruntuk mengaktifkan sistem pendingin ONAF.
2.2.9 NGR (Neutral Grounding Resistant)
Salah satu metoda pentanahan adalah dengan menggunakan NGR. NGR adalah sebuahtahanan yang dipasang serial dengan neutral sekunder pada transformator sebelum terhubungke ground/tanah. Tujuan dipasangnya NGR adalah untuk mengontrol besarnya arus gangguanyang mengalir dari sisi neutral
ke tanah.
Ada dua jenis NGR, Liquid dan Solid
A. Liquid
Dimana resistornya menggunakan larutan air murni yang ditampung didalambejana dan ditambahkan garam (NaCl) untuk mendapatkan nilai resistansi yangdiinginkan.
B. Solid
Sedangkan NGR jenis padat terbuat dari Stainless Steel, FeCrAl, Cast Iron,Copper Nickel atau Nichrome yang diatur sesuai nilai tahanannya.
2.3 Tipe Konstruksi Transformator
2.3.1 Transformator Tipe Inti (Core form)
Transformator tipe inti dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dengan kumparan transformasinya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe ini, kumparan dililitkan mengelilingi inti besi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. dan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf L, huruf U
Gambar 2.1 Konstruksi TransformatorTtipe Inti ( core form )
2.3.2 Transformator Tipe Cangkang ( Shell form )
Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentukdarilapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti.Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Umumnya konstruksi intinya berbentuk huruf E, huruf I, huruf F
2.4 Prinsip KerjaTransformator
Skematik Diagram Transformator 1 Fasa dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.3Skematik Diagram Transformator 1 Fasa
Keterangan gambar 2.3 yaitu:
N1 = Jumlah lilitan sisi primer V2 = Tegangan output (volt) N2 = Jumlah lilitan sisi sekunder V1 = Tagangan input (volt) E1 = GGL efektif sisi primer (volt) Φ = Fluksi magnet
E2 = GGL efektif sisi sekunder (volt)
Berikut uraian prinsip kerja transformator menggunakan prinsip induksielektromagnetik :
1. Tegangan bolak – balik V1 diberikan pada belitan N1, maka pada belitan N1 akan mengalir I1.
2. Arus bolak balik I1 yang mengalir pada belitan N1 akan menghasilkan gaya gerak magnet pada belitan, yang akan menghasilkan fluks bolak balik dalam inti besi.
3. Akibat timbulnya fluks bolak balik di dalam inti besi, maka akan menghasilkan gaya gerak listrik sebesar (E1).
5. Jika belitan N2 dihubungkan ke beban, maka pada N2 timbul I2 akibat E2. Hal ini mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet pada N2 dan akibatnya pada beban timbul V2.
Sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ).
e = -N �∅
� ...(2.1)
Dimana : e = gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ]
N = jumlah lilitan
∅
= perubahan fluks magnet ϕ
2.5 Rangkaian Ekivalen Transformator
Fluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im tidak seluruhnya merupakanfluks bersama (ФM), sebagian mencakup kumparan pimer (Ф1) atau mencakupkumparan sekunder saja (Ф2) dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untukmenganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor Ф1 dengan mengalamiproses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X1 dan fluks bocor Ф2 denganmengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X2 sedang rugitahanan ditunjukan dengan R1 dan R2, dengan demikian model rangkaian dapatdituliskan seperti Gambar 2.4.
Gambar 2.4Gambar Rangkaian Transformator Ideal
Gambar 2.5 Diagram Vektor Model Rangkaian Transformator Ideal
Dari diagram vektor diatas dapat pula diketahui hubungan penjumlahan vektor yaitu :
V1 = I1R1 + I1X1 + E1 E2 = I2R2 + I2X2 + V2
E1/E2 = N1/N2 = a atau E1 = a E2, hingga E1 = a (I2R2 + I2X2 + V2)
Maka :
V1 = I1R1 + I1X1 + a (I2R2 + I2X2 + V2) V1 = I1R1 + I1X1 + a I2R2 + a I2X2 + a V2 Karena
I'2/I2 = N2/N1 = 1/a atau I2= aI'2
Maka:
V1 = I1R1 + I1X1+ a (a I'2R2) + a (a I'2X2) + a V2 V1 = I1R1 + I1X1+ a2 I'2R2 + a2 I'2X2 + a V2
V1 = I1R1 + I1X1+ I'2 (a2 R2 + a2 X2) + a V2 (Volt)...(2.2)
Gambar 2.6 Gambar Rangkaian Ekivalen Transformator
Untuk memudahkan perhitungan, model rangkaian ekivalen transformatortersebut dapat diubah menjadi seperti gambar 2.7 dibawah ini :
Gambar 2.7 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator
Dari hasil penyederhanaan rangkaian ekivalen transformator seperti terlihat pada Gambar 2.7, maka dapat dibuat diagram vektornya seperti Gambar 2.8 dibawah.
Gambar 2.8 Diagram Vektor Parameter Sekunder pada Rangkaian Primer
Gambar 2.8 di atas dapat di sederhanakan dengan menggunakan Rek dan Xekyang dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini :
Rek = R1 + a2R2 (Ohm)
Dengan menggunakan persamaan 2.3, maka rangkaian ekivalen transformator menjadi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Hasil Akhir Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator
Parameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaianekivalen) Rc, Xm, Rek dan Xekdapat ditentukan besarnya dengan dua macampengukuran yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan
singkat.
2.6 Transformator Tanpa Beban.
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1yang sinusoid, akan mengalirkan arus primer I0 yang juga sinusoid dan dengan menganggapbelitan N1 reaktif murni, I0 akan tertinggal 900 dari V1. Adapun brangkaian transformator ideal dengan vektornya ditunjukkan Gambar 2.10.
Gambar 2.10Transformator Tanpa Beban
Ф = Фmaxsin ωt
Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi e1
E2 =−��Ø
Pada rangkaian sekunder, fluks (Ф) bersama tadi menimbulkan
E2 = - N2�Ø
Dengan Mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor � dimana a = perbandingan transformasi
Dalam hal ini tegangan induksi E1 mempunyai besaran yang sama tetapi berlawanan arahdengan tegangan sumber V1.
2.7 Transformator Dengan Beban
Konstruksi dari transformator berbeban dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11Transformator Berbeban
Agar fluks bersama itutidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I2, yang menentang arusyang dibangkitkan oleh beban I2, sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparanprimer menjadi :
I1= I0 +I2
Bila rugi besi diabaikan, maka I0= Im I1= Im +I2
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh aruspemagnetan IM saja, berlaku hubungan:
N1IM= N1I1- N2I2 N1IM= N1(IM+I2)- N2I2 Sehingga :
N1IM= N2I2
Karena nilai IM dianggap kecil, maka I2 =I1, jadi N1IM= N2I2
� �
=
�
�
=
ɑ...(2.5)
2.8 Transformator Tiga Fasa
Pada sistem tenaga listrik, umumnya menggunakan sistem tiga fasa. Pada
sistem tiga fasa, peneikan dan penurunan tegangan daat dilakukan dengan dua cara yaitu :
Transformator tiga fasa mempunyai inti dengan tiga kaki dan setiap kaki mendukung belitan primer dan sekunder. Untuk penyaluran daya yang sama, penggunaan satu unit transformator tiga fasa akan lebih ringan, lebih murah dan lebih efisien dibandingkan dengan tiga unit transformator satu fasa. Aka tetapi penggunaan tiga unit transformator satu fasa juga mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan satu unit transformator tiga fasa.
Misalnya biaya awal yang lebih rendah, jika untuk sementara beban dapat dilayani jika untuk sementara beban dapat dilayani dengan dua unit saja dan unit ketiga ditambahkan jika penambahan beban telah terjadi. Terjadinya kerusakan pada salah satu unit tidak mengharuskan pemutusan seluruh penyaluran daya. Pemilihan cara mana yang lebih baik, tergantung dari berbagai pertimbangan keadaan khusus . pada dasarnya kedua cara adalah sama.
2.8.1 Konstruksi Transformator Tiga Fasa
2.8.1.1Konstruksi Dengan Menggunakan 3 Buah Transformator 1 fasa
Konstruksi ini mempunyai bentuk yang relatif kecil, ringan dan murah. Apabila terjadi gangguan pada salah satu fasa cukup mengganti 1 transformator 1 fasa dan transformator yang lain tidak akan terganggu. Konstruksi ini dapat dilihat pada Gambar 2.12:
2.8.1.2Konstruksi Dengan Menggunakan 3 Buah Belitan Primer, 3 Buah Belitan Sekunder dan 1 Inti Besi
Konstruksi ini lebih umum digunakan, dikarenakan konstruksi ini lebih mudah dalam hal instalasinya dibanding dengan konstruksi 3 buah transformator 1 fasa. Seperti halnya dengan transformator 1 fasa, konstruksi transformator 3 fasa ini mempunyai 2 tipe juga yaitu tipe inti dan tipe cangkang. Konstruksi ini dapat dilihat pada Gambar 2.13 dan Gambar 2.14 berikut :
Gambar 2.13Transformator Dengan Tiga Buah Belitan Primer Tipe Cangkang (Shell Type)
Gambar 2.14Tiga Buah Belitan Sekunder Dan Satu Inti Besi Tipe Inti
(Core Type)
2.9 Hubungan Belitan Tranformator
cara menghubungankan transformator ini dikelompokkan menjadi tiga bagian yaitu:
1. Transformator tiga fasa tanpa belitan tersier : primer-sekunder 2. Transformator tiga fasa dengan khusus
3. Transformator tiga fasa dengan belitan tersier: primer-sekunder-tersier
2.9.1. Transformator Tiga Fasa Tanpa Belitan Tersier (Primer-Sekunder)
Terdapat bermacam-macam kombinasi sambungan di dalam transformator 3 fasa. Kombinasi sambungan transformator tersebut dapat digunakan untuk memindahkan daya dari daya 3 fasa ke daya 3 fasa, dari tiga fasa ke enam fasa, dan sebagainya.Terdapat kombinasi sambungan transformator 3 fasa seperti Gambar 2.15 yaitu:
(a) (b)
(c)
Untuk menghubungkan belitan-belitan suatu transformator dapat dilakukan dengan berbagai kombinasi seperti ditunjukkan pada Tabel 2.4 berikut.
Tabel 2.4 Kombinasi Sambungan Transformator
Primer Sekunder Penulisan
Bintang Bintang Yy
Bintang Segitiga Yd
Bintang Zig-zag Yz
Segitiga Bimtang Dy
segitiga Segitiga Dd
Segitiga Zig-zag Dz
Dari bermacam-macam variasi kombinasi sambungan seperti tersebut diatas, yang lazim digunakan sesuai dengan normalisasi adalah:
Primer : sambungan bintang (Y) dan segitiga (∆)
Sekunder : sambungan bintang (Y) dan segitiga (∆) danzig-zag (Z)
A. Trafo 3 fasa Hubung Bintang Bintang (Y-Y)
Hubungan ini diperlihatkan gambar 2.16. tegangan line primer
samadengan √ kali tegangan fasa primer dengan beda sudut fasa 300. Sedangkan tegangan line sekunder sama dengan √ kali tegangan fasa sekunder dengan beda sudut fasa 300. Pada jenis ini ujung ujung pada masing masing terminal dihubungkan secara bintang. Titik netral dijadikan menjadi satu. Fasor tegangan fasa-fasa primer dan sekunder tidak terdapat perbedaan fasa.
Transformator hubungan bintang-bintang dapat dilihat pada Gambar 2.16. Perbandingan tegangan fasa-fasa primer dengan sekundernya adalah :
Gambar 2.16 Trafo Hubungan Bintang Bintang
Jika beban pada rangkaian trafo tidak seimbang maka tegangan pada masing-masing fasa trafo menjadi tidak seimbang. Jika tegangan tiga fasa dihubungkan ke trafo wye-wye, tegangan pada masing-masing fasa berbeda 120.Pada hubungan ini terdapat tegangan harmonik ketiga akibat ketidaklinieran inti. Dimana besar tegangan komponen harmonik ketiga lebih besar tegangan fundamental. Masalah ini diatasi dengan netral trafo di groundkan, terutama titik netral sisi primer trafo. Cara ini memungkinkan komponen harmonik ketiga mengalir pada netral. Grounding netral juga memberi lintasan balik untuk arus tidak seimbang. Dapat juga diatasi dengan menambah kumparan tersier yang dihubungkan delta. Belitan deta akan menekan tegangan komponen harmonik ketiga.
B. Trafo Hubung Segitiga-Segitiga (Δ - Δ)
Pada jenis ini ujung fasa dihubungkan dengan ujung netral kumparan lain yang secara keseluruhan akan terbentuk hubungan delta/segitiga. Hubungan ini umumnya digunakan pada sistem yang menyalurkan arus besar pada tegangan rendah dan yang paling utama saat keberlangsungan dari pelayanan harus dipelihara meskipun salah satu fasa mengalami kegagalan. Perbandingan tegangan fasa-fasa primer dengan sekundernya adalah :
�� �� =
�� �� = a ;
���
��� =
���√
Bentuk belitan dari transformator hubungan delta-delta dapat dilihat pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Trafo Hubungan Delta Delta
Kelebihan dari hubungan delta-delta ialah, tidak menimbulkan masalah yang
serius pada saat melayani beban tidak seimbang, tidak ada masalah gangguan
harmonisa ketiga pada tegangan, tidak ada perbedaan phasa antra sisi primer dan
sekunder. Hubungan antar belitan ini memiliki kelemahan yaitu, insulation
tegangan yang digunakan pada sisi primer dan sekunder harus lebih dari tegangan
line serta tidak tersedianya titik netral pada kedua sisi transformator.
C. Trafo Hubung Bintang Segi tiga ( Y - Δ)
Pada hubung ini, kumparan pafa sisi primer dirangkai secara bintang (wye) dan sisi sekundernya dirangkai delta. Umumnya digunakan pada trafo untuk jaringan transmisi dimana tegangan nantinya akan diturunkan (Step- Down).Tegangan fasa-fasa pimer samadengan √3 kali tegangan fasa primer dengan perbedaan sudut fasa 30o, sedangkan teganganfasa-fasa sekunder sama dengan tegangan fasa sekunder. Perbandingan tegangan fasa-fasa primer dengan sekundernya adalah :
�� �� =
��√
�� = a√ ;
���
��� =
���
���√ = �√ ………...(2.8)
Gambar 2.18 Trafo Hubungan Bintang Delta
Kelebihan dari hubunganini ialah, tidak ada masalah yang serius pada saat
melayani beban yang tidak seimbang karena hubungan delta pada sisi sekunder
akan mendistribusikan beban tidak seimbang tersebut pada masing-masing
phasa.Masalah harmonisa ketiga pada tegangan disisi sekunder dapat dihapus
karena telah disirkulasikan melalui hubungan delta disisi sekunder. Sedangkan
kekurangan dari hubungan belitan ini adalah tegangan pada sisi sekunder
mengalami pergeseran phasa terhadap sisi primer, sehingga apabila ingin
memparalel trafo dengan hubungan Wye-Delta (Y-Δ) ini maka harus diperhatikan
kesamaan vektor diagram transformator yang akan diparalel tersebut.
D. Trafo Hubungan Segitiga Bintang (Δ - Y)
Pada hubung ini, sisi primer trafo dirangkai secara delta sedangkan pada sisi sekundernya merupakan rangkaian bintang sehingga pada sisi sekundernya terdapat titik netral. Biasanya digunakan untuk menaikkan tegangan (Step -up) pada awal sistem transmisi tegangan tinggi. Tegangan fasa-fasa pimer samadengan tegangan fasa primer, sedangkan tegangan fasa-fasa sekunder sama dengan √3 kali tegangan fasa sekunder dengan perbedaan sudut fasa 30o.
Perbandingan tegangan fasa-fasa primer dengan sekundernya adalah :
��
Gambar 2.19 Trafo Hubungan Segitiga Bintang
E. Hubungan Zig Zag
Kebanyakan transformator distribusi selalu dihubungkan bintang, salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh transformator tersebut adalah ketiga fasanya harus diusahakan seimbang. Apabila beban tidak seimbang akan menyebabkan timbulnya tegangan titik bintang yang tidak diinginkan, karena tegangan pada peralatan yang digunakan pemakai akan berbeda-beda.Untuk menghindari
terjadinya tegangan titik bintang, diantaranya adalah dengan menghubungkan sisi sekunder dalam hubungan Zigzag.Dalam hubungan Zig-zag sisi sekunder terdiri atas enam kumparan yang dihubungkan secara khusus (lihat Gambar 2.20)
(a) (b)
2.9.2. Transformator Tiga Fasa Dengan Hubungan Khusus
A. Hubungan Open Delta
Ini dimungkinkan untuk mentransformasi sistem tegangan 3 fasa hanya menggunakan 2 buah transformator yang terhubung secara open delta. Hubungan open delta identik dengan hubungan delta delta tetapi salah satu trafo tidak dipasang. Hubungan ini jarang digunakan karena kapasitas bebannya hanya 86.6 % dari kapasitas terpasangnya. Rangkaian transformator hubungan open delta dapat dilihat pada Gambar 2.22.
Gambar 2.21 Trafo Hubungan open Delta / V – V
Kekurangan Hubungan ini adalah :
Faktor daya rata-rata, pada V - V beroperasi lebih kecil dari P.f beban, kira kira 86,6% dari faktor daya beban seimbang.
Tegangan terminal sekunder cenderung tidak seimbang, apalagi saat beban bertambah
B. Hubungan Open Wye- Open Delta
Hubungan Open Y - Open Δ diperlihatkan pada Gambar 2.22, ada
Gambar 2.22 Trafo hubungan Open Y open Delta
C. Hubungan Scott atau T – T
Transformator ini mempunyaicentre taps pada sisi primer dan sekundernya danmain transformer. Transformator yang lainnya mempunyai0,866 tap dan disebut teaser transformer . Salah satu ujung dari sisi primer dan sekunder
teaser transformer disatukan ke Centre Tapsdari main transformer.TeaserTransformer beroperasi hanya 0,866 dari kemampuan tegangannya dan kumparan “ main transformer “ beroperasi pada Cos 30 ° = 0,8θθ p.f, yang ekuivalen dengan “ main transformer “ bekerja pada 8θ,θ % dari kemampuan daya semunya. Bentuk dari hubungan scott atau T-T dapat dilihat pada Gambar 2.23.
Gambar 2.23 Hubungan Scott atau T-T
2.9.3. Transformator Multibelitan
transformator multibelitan lebih murah dan lebih efisien daripada jumlah setara dengan transformator dua belitan. Susunan gulungan dapat bervariasi untuk mengubah reaktansi bocor antar belitan. Dengan cara ini, regulasi tegangan dan persyaratan arus hubung singkat dioptimalkan.
Berikut aplikasi penggunaan transformator multi belitan:
• Interkoneksi beberapa sistem tenaga beroperasi pada tegangan yang berbeda. • Penggunaan hubungan delta menstabilkan belitan, yang juga dapat digunakan
untuk memasok beban eksternal.
• Pengendalian regulasi tegangan dan daya reaktif. • Isolasi listrik dari sirkuit sekunder.
• Duplikasi pasokan ke beban kritis
• Connection untuk peralatan harmonik-filtering • Sebuah sumber daya tambahan di gardu
Beberapa masalah dengan penggunaan transformator multibelitan berhubungan dengan efek kebocoran impedansi pada peraturan tegangan, arus hubung singkat, dan pembagian beban antar sirkuit yang berbeda. Semua gulungan secara magnetis terhubung ke fluks bocor dan dipengaruhi oleh pembeban pada gulungan lainnya. Oleh karena itu penting untuk memahami perilaku kebocoran impedansi transformator jenis ini, sehingga memudahkanperhitungan pengaturan tegangan dan beban masing-masing kumparan.
A. Transformator Tiga Fasa Dengan BelitanTersier (Primer-Sekunder - Tersier)
Sebuah trafo terdiri atas kumparan primer dan kumparan sekunder. Selain dari kumparan primer dan sekunder, dikenal sebagai kumparan tersier. Biasanya transformator tiga fasa dengan tiga belitan terhubung bintang(wye) – bintang(wye)- delta. Perbandingan tegangan antara wye dan delta adalah sepertiga.Skema belitan pada transformator ditunjukkan Gambar 2.24.
Gambar 2.24skema belitan transformtor tiga fasa dengan belitan tersier
Ketika transformator dihubungkan secara bintang-bintang, yang perlu diperhatikan adalah mencegah penyimpangan dari tegangan line ke netral (fase ke
Gambar 2.25Diagram Trafo Dengan Belitan Tersier
Kumparan tersier digunakan dalam transformator daya listrik untuk :
1. Kumparan tersier terhubung dalam bentuk delta pada transformator 3 belitan berfungsi membantu dalam pembatasan arus gangguan dalam hal hubungan pendek dari line ke netral.
2. Pada hubungan wye-wye, jika beban pada rangkaian trafo tidak seimbang
maka tegangan pada masing-masing fasa trafo menjadi tidak seimbang. Dengan penambahan belitan delta, maka ketidakseimbangan dalam primer karena ketidakseimbangan beban tiga fasa akan berkurang.
3. Hubungan delta pada belitan tersier dapat juga mengurangi arus gangguan. Hal ini terjadi karena belitan delta mendistribusikannya kebeban secara merata.
4. Belitan tersier juga membantu untuk menghubungkan sistem daya yang berbeda yang beroperasi pada tegangan yang berbeda (transformator tiga belitan membantu memberikan pasokan listrik di dua tegangan sekunder yang berbeda, 170kV / 24kV / 12 kV transformator dapat mampu memberikan tenaga pada dua level tegangan yang berbeda (24kV dan 12kV)
6. Kumparan tersier sering dipergunakan juga untuk penyambungan peralatan bantu seperti kondensator synchrone, kapasitor shunt dan reactor shunt untuk koreksi faktor daya dan pengaturan tegangan.Mengatur tegangan dan daya reaktif dari sistem dengan menyediakan kapasitor sinkron terhubung ke salah satu terminal transformator
7. Belitan di trafo tiga fasa sebagai hubungan delta belitan tiga fase akan menawarkan impedansi rendah untuk arus tiga fase
2.10 Rugi-Rugi & Efisiensi Transformator
Rugi-rugi yang terdapat pada transformator dimulai dari daya masukan pada sisi masukan transformator hingga pada sisi keluaran transformator ditunjukkan pada Gambar 2.26.
Gambar 2.26Diagram Rugi-Rugi dan Efisiensi Transformator
Rugi-rugi daya transformator berupa rugi inti ( rugi besi) dan rugi tembaga yangterdapat pada kumparan primer, kumparan sekunder maupun tersier.Untuk memperkecil rugi-rugitembaga harus diambil kawat tembaga yangpenampangnya cukup besar untuk mengalirkanarus listrik yang diperlukan.
Pada keadaan tanpa beban, besarnya daya adalah :
Dimana cos Ø = faktor kerja
Dari Persamaan (2.10) diatas juga didapat
S=V x I(MVA)
Maka cos Ø = �
� � ………..………...(2.11)
A. Rugi Tembaga ( Pcu )
Karena kumparan transformator terbuat dari tembaga, maka rugi tembaga pada transformator terjadi pada setiap kumparan. Kumparan primer, sekunder maupun tersier dibuat dari gulungan kawat tembaga yang dilapisi oleh isolator tipis yang disebut dengan enamel.
Umumnya kumparan dibuat dari gulungan kawat yang panjang. Gulungan kawat panjang ini akan meningkatkan hambatan dalam kumparan. Pada saat transformator dialiri arus listrik maka hambatan kumparan ini akan mengubah arus lisrik menjadi panas sebesar i2R. Semakin besar harga R maka semakin besar pula energi panas yang ditimbulkannya dalam kumparan.
Rugi tembaga adalah rugi tidak tetap ( variable losses ),dipengaruhi oleh besarnya beban. Besarnya rugi tembaga yang dihasilkan adalah sebesar:
Pcu= I2x R………...………...…………...(2.12) Karena arus beban berubah-ubah, maka rugi tembaga juga tidak konstan, bergantungpada beban. Besarnya rugi-rugi tembaga pada setiap perubahan beban adalah kuadrat arus beban atau kuadrat daya semunya.
Pt2 = �
� × Pt1………...…...(2.13)
Keterangan:
S2 = Beban yang dioperasikan (MVA) S1 = Dayaterpasang (MVA)
Kualitas kawat gulungan transformator mempengaruhi nilai rugi ini.
B. Rugi Besi ( Pi)
Sedangkan untuk rugi-rugi inti (rugi besi) dalam keadaan normal selalu konstan tidaktergantung terhadap besarnya perubahan beban dan rugi ini dapat dikelompokkan dalam duabagian yaitu :
1) Rugi Histeresis (Ph)
Rugi ini dapat terjadi disebabkan oleh gesekan molekul yang melawan arah aliran gaya magnet didalam inti besi transformator. Gesekan molekul ini menimbulkan panas. Panas yang berlebih dapat merusak transformator. Oleh karena itu didalam transformator diberi pendingin.Pendingin ini dapat berupa minyak transformator.
Gambar 2.27 kurva histerisis
sebelumnya.Rugi ini akibat dari inti besi menerima fluksi bolak-balik, yang dinyatakan denganpersamaan :
Ph = Kh .f .B1.6maks Watt...………..…..………...(2.14) Keterangan:
Ph = Rugiaruspusar [w/kg] Kh = Konstanta material inti F = frekuensi [Hz]
Bmax = Nilai puncak medan magnet [T]
2) Rugi Eddy Current(Pe)
Rugi Eddy Current terjadinya disebabkan arus pusar pada inti besi. Kerugian karena eddy Current disebabkan oleh aliran sirkulasi arus yang menginduksi logam. Hal ini disebabkan oleh aliran flux magnetik disekitar inti besi. Karena umumnya inti besi transformator terbuat dari besi lunak
maka Eddy Current yang menginduksi inti besi akan semakin besar. Eddy Current dapat menyebekan kerugian daya pada transformator karena pada
saat terjadi induksi energi listrik pada inti besi, maka sejumlah energi listrik akan diubah menjadi energi panas.
Untuk mengurangi rugi eddy currrent (Pe), maka inti besi transformator dibuat lapis. Tujuan dibuatnnya inti besi berlapis-lapis adalah untuk memecah induksi eddy currrent (Pe) didalam inti besi.
Rugi Eddy currrent (Pe) dapatdinyatakan dengan persamaan berikut ini:
Pe = Ke . f .B2maks………..…...(2.15) Keterangan:
Pe = Rugiaruspusar [w/kg] Ke = Konstanta material inti f = frekuensi [Hz]
C. Efisiensi Transformator Tiga Fasa
Pada kenyataannya, transformator tidak pernah ideal. Jika transformatopr dioperasikan , maka didalam transformator akan timbul energi kalor. Denga demikian, energi listrik yang masuk kedalam kumparan primer akan selalu lebih besar dari energi listrik yang keluar dari kumparan sekunder maupun kumparan tersier. Akibatnya daya yang keluar lebih besar pada kumparan primer.
Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah transformator ditentukan oleh besarnya efisiensi transformator tersebut.
Efisiensi adalah perbandingan daya keluaran dan daya masukan. Atau dapat dikatakan hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primeryang dinyatakan dalam persen. Untuk mencari efisiensi transformator, nilai primer dibawa ke sekunder[3].Efisiensi transformator dinyatakan dalam . Besar efisiensi dapat di rumuskan sebagai berikut :
Efisiensi (
) =
��� x100%
dimana Pout = V2 I2cos 2
Karena besar daya keluaran transformator dipengaruhi oleh rugi-rugi, maka total daya masuk pada transformator adalah jumlah dari daya keluaran transformator dengan rugi-rugi transformator.
Pin = Pout + Rugi-Rugi
Pin = V2 I2cos 2+ Pcu + Pi Pin = V2 I2cos 2+ I22 Rc2 + Pi
Maka besar nilai efisiensi transformator dapar dihitung melalui persamaan berikut:
= V I θ
V I θ +I R +Pi×100%...(2.16)
Dimana :
= Efisiensi
I2 = Arus Keluaran Transformator (Ampere) Cos 2 = Faktor Daya Beban
RC2 = Tahanan Total Tembaga (Ohm) Pcu = Rugi-Rugi Tembaga (Watt) Pi = Rugi-Rugi Inti (Watt)
Jika dimisalkan daya keluaran V I cosθ dan rugi-rugi adalah rugi besi
(Pi) sedangkan rugi tembaga (Pcu) dinyatakan dengan I2R2ek, maka efisiensi dapat dinyatakan:
= V I θ
V I θ +v R ek+Pi×100%
dengan dibagi I2 maka didapat :
= V I θ
V I θ +v R ek+PiI ×100%
agar efisiensi maksimum
�
�� =( I2 R2ek +
��
�2
)
= 0Jadi R2ek = �� �2
