BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum
Pada umumnya transformator 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 pada sekeliling “kaki” inti transformator.
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 digunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik terjadi kerugian energi sebesar I2R. Kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan setinggi mungkin. Dengan demikian maka saluran-saluran transmisi tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi, hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi [2].
2.2 Jenis-Jenis Transformator
Berikut ini merupakan jenis-jenis dari transformator yang pada umumnya sering digunakan,yaitu:
2.2.1 Transformator Instrumen
dan dapat digunakan untuk kerja peralatan. Ada 2 jenis transformator instrumen, yaitu [12]:
2.2.1.1 Transformator Arus
Guna transformator arus adalah menyediakan cara pengurangan arus saluran ke harga-harga yang dapat digunakan untuk mengoperasikan alat pengukur arus rendah dan alat kendali yang baku dan alat ini benar-benar terisolasi dari rangkaian utama. Karena transformator arus ini digunakan berkaitan dengan alat pengukur arus, maka lilitan primernya dirancang untuk dihubungkan secara seri dengan saluran. Transformator arus dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut:
Gambar 2.1 Transformator arus 2.2.1.2 Transformator Tegangan
transformator tegangan sesuai pada Gambar 2.2:
Gambar 2.2 Transformator tegangan 2.2.2 Transformator Tenaga
Transformator ini biasa disebut sebagai transformator daya, biasa digunakan pada pembangkit listrik dan gardu induk untuk menaikkan dan menurunkan tegangan.
Beberapa alasan digunakannya transformator daya, antara lain :
1. Tegangan yang dihasilkan oleh Generator tidak sesuai dengan tegangan yang sampai pada konsumen.
2. Jauhnya jarak antara pembangkit dan konsumen sehingga tegangan perlu dinaikkan pada jaringan transmisi.
3. Sebelum sampai ke konsumen, transformator daya digunakan untuk menurunkan kembali tegangan tinggi menjadi tegangan rendah.
Transformator tenaga dibagi menjadi 2 bagian, yaitu :
1. Transformator Penaik Tegangan (Step Up Transformer).
Transformator ini berfungsi untuk menaikkan tegangan. Misalnya dari 11 kV pada sisi primer menjadi 150 kV pada sisi sekunder.
2. Transformator Penurun Tegangan (Step Down Transformer).
150 kV pada sisi primer menjadi 20 kV pada sisi sekunder. Berikut ditunjukkan transformator tenaga sesuai Gambar 2.3:
Gambar 2.3 Transformator tenaga
2.3 Prinsip Kerja Transformator
di bawah ini:
Gambar 2.4 Prinsip kerja transformator 2.4 Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan yang sinusoidal, akan mengalir arus primer yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan reaktif murni, akan tertinggal 90o dari . Arus primer menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa dan juga sinusoid. Berikut merupakan rangkaian transformator tanpa beban (Gambar 2.5) dan rangkaian ekivalennya (Gambar 2.6) serta fasor dari transformator tanpa beban (Gambar 2.7) di bawah ini [1]:
AC V V
I I
N N
M
1 0
1 2
2
2
V V
Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen transformator tanpa beban
I
V
1E
10
Gambar 2.7 Fasor transformator tanpa beban
Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi (Hukum Faraday) seperti pada Persamaan 2.1 di bawah ini [1]:
Sehingga nilai efektifnya:
Pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama tersebut juga menimbulkan:
(Volt)
Sehingga nilai efektifnya:
(Volt)
Dengan mengabaikan adanya rugi tahanan dan fluks bocor, maka:
Di mana:
= ggl induksi sisi primer (Volt) = ggl induksi sisi sekunder (Volt) = tegangan terminal sisi primer (Volt) = tegangan terminal sisi sekunder (Volt)
M
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen transformator berbeban
Arus beban ini akan menimbulkan gaya gerak magnetik (ggm) yang cenderung menentang fluks (Φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan.
Agar fluks bersama tersebut tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban , sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi [1]:
(Ampere) (2.4)
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan , maka berlaku hubungan:
2.6 Konstruksi Transformator
Berikut ini dijelaskan bagian-bagian dari konstruksi yang terdapat pada transformator:
2.6.1 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. Inti besi dibentuk dari lempengan-lempengan besi tipis berisolasi yang disusun sedemikian rupa untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh rugi arus eddy. Inti besi transformator ditunjukkan oleh Gambar 2.11 berikut:
Gambar 2.11 Inti besi transformator 2.6.2 Kumparan (Winding)
mengalir pada belitan tembaga tersebut, inti besi akan terinduksi dan menimbulkan fluks magnetik. Belitan kumparan transformator ditunjukkan oleh Gambar 2.12 berikut:
Gambar 2.12 Kumparan transformator R-S-T
Kerja transformator yang berdasarkan induksi elektromagnet menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besitempat melakukan fluksbersama.
2.6.3 Bushing
4.1Gambar 2.13 Bushing transformator
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.
Aksesoris bushing terdiri dari indikator level minyak dan seal atau gasket. Seal atau gasket pada bushing terletak di bagian bawah mounting flange. Berikut ditunjukkan gasket dan indikator level minyak bushing sesuai pada Gambar 2.14:
2.6.4 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 turun. Konservator digunakan untuk menampung minyak pada saat transformator mengalami kenaikan suhu. Konservator minyak transformator dapat ditunjukkan oleh Gambar 2.15 berikut:
Gambar 2.15 Konservator minyak transformator
Gambar 2.16 Oil Breather 2.6.5 Minyak dan Kertas Isolasi
Minyak isolasi pada transformator berfungsi sebagai media isolasi, pendingin dan pelindung belitan dari oksidasi. Salah satu minyak isolasi yang digunakan pada transformator adalah jenis Shell Diala B. Adapun contoh spesifikasi dari minyak isolasi pada transformator dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut:
Gambar 2.17 Spesifikasi minyak isolasi transformator
Tabel 2.1 Batasan nilai parameter minyak isolasi baru 10. Tegangan Tembus kV/2,5mm >30 >50
IEC 156
Kertas isolasi berfungsi sebagai isolasi, pemberi jarak, dan memiliki kemampuan mekanis. Contoh kertas isolasi dapat dilihat pada Gambar 2.18 berikut:
Gambar 2.18 Tembaga yang dilapisi kertas isolasi
2.6.6 Pendingin (Radiator)
Sebagai instalasi tenaga listrik yang dialiri arus maka pada transformator akan terjadi panas yang sebanding dengan arus yang mengalir serta temperatur udara di sekeliling 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 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 setting pada rele temperatur dan sirkulasi air yang bersinggungan dengan pipa minyak isolasi panas. Berikut ditunjukkan berbagai jenis pendingin yang digunakan pada transformator sesuai Tabel 2.2:
Tabel 2.2 Jenis-jenis pendingin pada transformator
No. Jenis Sistem Pendingin
Media
Minyak isolasi transformator selain digunakan sebagai media isolasi juga berfungsi sebagai pendingin. Pada saat minyak bersirkulasi, panas yang berasal dari belitan akan dibawa oleh minyak sesuai jalur sirkulasinya dan akan didinginkan pada sirip–sirip radiator. Adapun proses pendinginan ini dapat dibantu oleh adanya kipas dan pompa sirkulasi yang merupakan salah satu metode untuk meningkatkan efisiensi pada transformator. Salah satu contoh pendingin (radiator) yang terdapat pada transformator daya diperlihatkan oleh Gambar 2.19 berikut:
4.2Gambar 2.19 Pendingin transformator (Radiator) 2.6.7 Tap Changer
Tap changer merupakan peralatan bantu pada transformator yang digunakan untuk mengatur tegangan keluaran agar sesuai dengan kebutuhan. Tap Changer pada transformator terbagi dua, yaitu :
1. Off Load Tap Changer
2. On Load Tap Changer (OLTC)
Tipe tap changer yang dapat beroperasi pada saat berbeban. Tipe on load tap changer dapat dioperasikan secara manual dan otomatis. Berikut ini ditunjukkan rangkaian ekivalen On Load Tap Changer (OLTC) sesuai Gambar 2.20:
Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen OLTC Tap changer terdiri dari :
1. Selector switch
2. Diverter switch
3. Tahanan transmisi
Gambar 2.21 Bentuk OLTC pada transformator 2.6.8 NGR (Neutral Grounding Resistant)
Salah satu metoda pentanahan pada transformator daya adalah dengan menggunakan NGR. NGR adalah sebuah tahanan yang dipasang serial dengan neutral sekunder pada transformator sebelum terhubung ke tanah (grounding). Tujuan dipasangnya NGR adalah untuk mengontrol besarnya arus gangguan yang mengalir dari sisi netral ke tanah. Berikut ditunjukkan rangkaian ekivalen NGR dan salah satu contoh NGR pada transformator sesuai Gambar 2.22 dan 2.23.
Gambar 2.23 NGR pada transformator
Neutral Grounding Resistant atau Resistansi Pentanahan Transformator adalah resistan yang dipasang pada titik netral transformator yang dihubungkan Y (bintang). NGR biasanya dipasang pada titik netral transformator daya step down (70kV atau 20kV), sedangkan titik netral pada transformator daya step up (150kV atau 500kV) dapat dilakukan dengan cara di grounding langsung (solid).
Ada dua jenis NGR yang biasanya digunakan pada sistem tenaga listrik, yaitu:
1. Air (liquid)
Gambar 2.24 NGR tipe air (liquid) 2. Logam (solid)
Sedangkan NGR jenis padat terbuat dari Stainless Steel, FeCrAl, Cast Iron, Copper Nickel atau Nichrome yang diatur sesuai nilai tahanannya. Berikut ditunjukkan NGR jenis solid pada transformator daya sesuai Gambar 2.25 berikut:
2.7 Rugi-Rugi Transformator
Rugi-rugi daya transformator berupa rugi tembaga (copper losses) dan rugi besi (core losses) yang terdapat pada kumparan primer maupun kumparan sekunder. Untuk memperkecil rugi tembaga harus diambil kawat tembaga yang penampangnya cukup besar untuk mengalirkan arus listrik yang diperlukan dan untuk mengurangi rugi besi, diambil inti besi yang penampangnya cukup besar agar fluks magnetik dapat dengan mudah mengalir di dalamnya. Pada keadaan berbeban besarnya daya dapat dihitung dengan Persamaan 2.6 berikut:
(2.6) dihasilkan ditunjukkan oleh Persamaan (2.9) berikut:
(2.9)
Karena arus beban berubah-ubah, maka rugi tembaga juga tidak konstan, tergantung pada besarnya perubahan beban. Besarnya rugi-rugi tembaga pada setiap perubahan beban dapat ditentukan dengan Persamaan (2.10) berikut [8]:
Di mana:
= Rugi-rugi tembaga pada saat pembebanan tertentu (kW). = Rugi-rugi tembaga beban penuh (kW).
= Daya yang dihasilkan transformator (MVA). = Rated daya maksimum transformator (MVA). 2.7.2 Rugi Besi ( )
Sedangkan untuk rugi inti atau besi (core losses) dalam keadaan normal selalu konstan tidak tergantung terhadap besarnya perubahan beban dan rugi ini dapat dikelompokkan dalam dua bagian, yaitu:
2.7.2.1 Rugi Hysterisis ( )
Gambar 2.26 Arah gelombang pemagnetan pada inti besi
pengaruh pemagnetan. Molekul-molekul tersebut kemudian akan berbalik dan menjadi magnet kembali sesuai dengan arah medan magnet yang baru. Gaya magnet yang tertinggal pada molekul-molekul tersebut dinamakan hysterisis. Energi harus disuplai untuk memutar arah sehingga molekul-molekul tersebut bergabung dengan medan magnet, hal ini dinamakan rugi-rugi hysterisis inti besi. Semakain banyak tenaga yang dibutuhkan, kerugian hysterisis juga akan semakin besar. Di bawah ini juga ditunjukkan Grafik rugi hysterisis sesuai Gambar 2.27 berikut:
Gambar 2.27 Grafik rugi hysterisis
Untuk mengurangi rugi ini, material inti dibuat dari besi lunak yang umum digunakan, yaitu besi silikon. Rugi hysterisis maupun rugi arus pusar bernilai tetap, tidak bergantung pada besarnya beban.
2.7.2.2 Rugi Eddy Current (Pe)
Arus pusar adalah arus yang mengalir pada material inti karena tegangan yang diinduksi oleh fluks. Arah pergerakan arus pusar adalah 90o terhadap arah fluks seperti terlihat pada Gambar 2.28 berikut:
Gambar 2.28 Arus pusar yang berputar pada material inti
2.8 Jenis-jenis Daya
Berikut dijelaskan jenis-jenis daya yang terdapat pada sistem tenaga listrik, antara lain [6]:
2.8.1 Daya Aktif
Daya aktif adalah daya yang dibangkitkan oleh generator yang keberadaannya nyata sekali dapat dirasakan. Satuan daya ini adalah watt (W) dan dapat disimbolkan dengan huruf (P) dan pada umumnya beban daya ini adalah resistif (R). Persamaannya dapat ditulis sesuai dengan Persamaan 2.11 berikut:
√ (2.11)
Daya reaktif adalah daya yang dibangkitkan oleh generator yang keberadaannya sama sekali tidak dapat dirasakan, karena daya ini digunakan untuk aksesoris peralatan-peralatan listrik misalnya untuk belitan-belitan pada transformator dan motor-motor listrik, untuk ballast, starter dan kabel pada lampu TL dan lain-lain. Umumnya beban daya ini adalah induktif (L). Satuan dari daya ini adalah volt-ampere-reaktif (VAR) dan biasanya disimbolkan dengan huruf (Q). Persamaannya dapat ditulis sesuai dengan Persamaan 2.12 berikut:
2.8.3 Daya Semu
Daya semu adalah kapasitas suatu pembangkit atau generator, dimana daya ini merupakan akumulasi dari daya aktif dan daya reaktif. Satuan dari daya ini adalah (VA), daya ini dapat disimbolkan dengan huruf (S). Persamaannya dapat ditulis sesuai dengan Persamaan 2.13 berikut:
√ (2.13)
2.9 Efisiensi Transformator
Selama penggunaan transformator, besarnya daya yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder selalu lebih kecil daripada daya yang diterima oleh kumparan primer. Hal ini disebabkan selama transformator digunakan ada sebagian energi listrik yang berubah menjadi panas. Dengan kata lain energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil dari energi yang masuk kedalam transformator. Agar diperoleh efisiensi mendekati 100% pada transformator biasanya dilakukan cara-cara sebagai berikut:
1. Diberi isolasi pada kumparan transformator.
2. Untuk mengurangi panas pada inti besi, maka inti besi tersebut dapat dibuat berbentuk pelat atau lempengan-lempengan besi tipis.
3. Mengalirkan udara dingin, misalnya dilakukan dengan paksaan atau secara alamiah untuk menjaga suhu transformator tetap stabil.
Di mana:
= Daya output transformator = Daya input transformator =
