BAB II
TRANSFORMATOR
II.1 UMUM
Transformator merupakan suatu peralatan listrik elektromagnetik statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya dengan frekuensi dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu gandengan magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding terbalik dengan perbandingan arusnya.
Dalam bidang teknik listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi : 1. Transformator daya
2. Transformator distribusi
3. Transformator pengukuran; yang terdiri dari transformator arus dan transformator tegangan.
II. 2 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 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 rangkaian 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 yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energy listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi)
Dimana ; e = gaya gerak listrik N = Jumlah lilitan (turn)
∅
= 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 arus bolak-balik rangkaian.
Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi (tahanan magnetis) dari rangkaian magnetis
II.2.1 Keadaan Transformator Tanpa Beban
Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalirkan arus primer I0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N1reaktif murni. I0akan tertinggal 90° dari V1. Arus primer I0 menimbulkan fluks yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal.
Gambar 2.1 Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban
Gambar 2.3 Gambar Vektor Transformator Dalam Keadaan Tanpa Beban
Gambar 2.4 Gambar Gelombang IOtertinggal 90°Dari V1
∅=∅maxsin t (weber)……….2.2
Fluks yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi e1 (Hukum faraday):
e1= - N1 ∅………..……..……….2.3
e1= -N1 ( ∅ . ) ………2.4
Dimana : e1= gaya gerak listrik ( Volt) N1= jumlah belitan sisi primer (turn)
= kecepatan sudut putar (rad/sec)
∅= fluks magnetic (weber) N1 ∅maks
Gambar 2.5 Gambar Gelombang e1Tertinggal 90°dari∅
Harga efektif : E1= ∅
√ ...2.7
E1=
√ ………...2.8
E1=
,
√ ………...2.9
E1=
, ∅
√ ………..2.10
E1= 4,44 N1f∅max(Volt)………2.11 Pada rangkaian sekunder, fluks bersama tadi juga menimbulkan :
e2= - N2
∅
………...………2.12
E2= 4,44 N2f ∅maks(Volt)………..2.13 Sehingga perbandingan antara rangkaian primer dan sekunder adalah :
= = a………..2.14
Dimana : E1= ggl induksi sisi primer (Volt) E2= ggl induksi sisi sekunder (Volt) N1= Junlah belitan sisi primer (turn) N2= Jumlah belitan sisi primer (Volt) a = factor transformasi
II.2.2 Keadaan Transformator Berbeban
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2mengalir
pada kumparan sekunder, dimana I2=
Gambar 2.6 Transformator Dalam Keadaan Berbeban
Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I2', yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi:
I1= I0+ I2’ (Ampere)...2.15 Bila komponen arus rugi inti (Ic) diabaikan, maka I0 = Im , sehingga :
I1= Im + I2’ (Ampere) ...2.16
Dimana:
I1= arus pada sisi primer (Ampere) I'2= arus yg menghasilkan Φ'2 (Ampere) I0= arus penguat (Ampere)
Im = arus pemagnetan (Ampere) Ic = arus rugi-rugi inti (Ampere)
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM, maka berlaku hubungan :
N1IM= N1I1– N2I2...2.17 N1IM= N1(IM+ I2’) – N2I2...2.18 N1I2’ = N2I2...2.19
Karena IMdianggap kecil, maka I2’ = I1. Sehingga :
N1I1= N2I2...2.20
= =………..………..2.21
II.3 RUGI-RUGI PADA TRANSFORMATOR
II.3.1 Rugi Tembaga (Pcu)
Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga yang terjadi pada kumparan sekunder dapat ditulis sebagai berikut :
Pcu = I2R (Watt) ...2.22 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.
II.3.2 Rugi Besi (Pi) Rugi besi terdiri atas :
a) Rugi histerisis (Ph), yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak – balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :
Ph = kh f Bmaks1.6(watt)...2.23 Kh = konstanta
Bmaks = Fluks maksimum (weber)
b) Rugi arus eddy (Pe) , yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi dinyatakan sebagai :
Pe = ke f2 B2maks (Watt) ...2.24 Kh = konstanta
Bmaks = Fluks maksimum ( weber ) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah :
Pi = Ph + Pe (Watt) ...2.25
II.4 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR II.4.1 Konstruksi Transformator Tiga Phasa
Gambar 2.9 Konstruksi Transformator Tiga Fasa
Salah satu jenis konstruksi yang biasa dipergunakan yaitu tipe cangkang diperlihatkan pada Gambar 2.10 :
Gambar 2.10 Transformator Tiga Fasa Tipe Cangkang
Dalam jenis inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi. Dalam jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi dibawah beberapa ratus Hz. Silikon-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.
II.4.2 Hubungan Trabsformator Tiga Phasa
Secara umum ada tiga macam jenis hubungan pada transformator tiga phasa yaitu :
1. Hubungan Bintang (Y)
ujung-ujung lilitan merupakan titik netral. Arus transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan bintang yaitu; IA, IB, IC masing-masing berbeda 120°.
Gambar 2.11 Transformator Tiga Phasa Hubungan Bintang Dari gambar 2.11 diperoleh bahwa :
IA= IB= IC= IL...2.26 IL= Iph...2.27 VAB= VBC= VCA= VL-L...2.28
VL-L=√ 3Vph...2.29 Dimana :
VL-L = tegangan line to line (Volt) Vph = tegangan phasa (Volt) IL = arus line (Ampere) Iph = arus phasa (Ampere)
2. Hubungan Segitiga/ Delta (Δ)
Hubungan segitiga adalah suatu hubungan transformator tiga fasa, dimana cara penyambungannya ialah ujung akhir lilitan fasa pertama disambung dengan ujung mula lilitan fasa kedua, akhir fasa kedua dengan ujung mula fasa ketiga dan akhir fasa ketiga dengan ujung mula fasa pertama. Tegangan transformator tiga phasa dengan kumparan yang dihubungkan segitiga yaitu; VA, VB, VC masing-masing berbeda 120°.
Dari gambar 2.12 diperoleh bahwa :
IA= IB= IC= IL...2.30
IL=√ 3Iph...2.31 VAB= VBC= VCA = VL-L...2.32 VL-L= Vph...2.33
Dimana :
VL-L = tegangan line to line (Volt) Vph = tegangan phasa (Volt) IL = arus line(Ampere) Iph = arus phasa (Ampere)
3. Hubungan Zigzag
Transformator zig–zag merupakan transformator dengan tujuan khusus. Salah satu aplikasinya adalah menyediakan titik netral untuk sistem listrik yang tidak memiliki titik netral. Pada transformatorzig–zag masing–masing lilitan tiga fasa dibagi menjadi dua bagian dan masing–masing dihubungkan pada kaki yang berlainan.
Gambar 2.13 Transformator Tiga Phasa Hubungan Zig-Zag
Dalam pelaksanaanya, tiga buah lilitan phasa pada sisi primer dan sisi sekunder dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti bintang dan segitiga, dengan kombinasi Y-Y, Y-Δ, Δ-Y, Δ-Δ, bahkan untuk kasus tertentu liltan sekunder dapat dihubungakan secara berliku-liku (zig-zag), sehingga diperoleh kombinasi Δ-Z, dan Y-Z. Hubungan zig-zag merupakan sambungan bintang istimewa, hubungan ini digunakan untuk mengantisipasi kejadian yang mungkin terjadi apabila dihubungkan secara bintang dengan beban phasanya tidak seimbang. Di bawah ini pembahasan hubungan transformator tiga phasa secara umum :
1. Hubungan Wye-wye (Y-Y)
Pada hubungan bintang-bintang, rasio tegangan fasa-fasa (L-L) pada primer dan sekunder adalah sama dengan rasio setiap trafo. Sehingga, tejadi pergeseran fasa sebesar 30° antara tegangan netral (L-N) dan tegangan fasa-fasa (L-L) pada sisi primer dan sekundernya.
Hubungan bintang-bintang ini akan sangat baik hanya jika pada kondisi beban seimbang. Karena, pada kondisi beban seimbang menyebabkan arus netral (IN) akan sama dengan nol. Dan apabila terjadi kondisi tidak seimbang maka akan ada arus netral yang kemudian dapat menyebabkan timbulnya rugi-rugi.
Hubungan Y-Y pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.14. Pada hubungan Y-Y, tegangan masing-masing primer phasa adalah :
Vphp =
√ ………...2.34
Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator maka, perbandingan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder pada transformator hubungan Y-Y adalah :
=√
Gambar 2.14 Transformator 3 phasa hubungan Y-Y
2. Hubungan Wye-delta (Y-Δ)
Transformator hubungan Y-Δ, digunakan pada saluran transmisi sebagai penaik tegangan. Rasio antara sekunder dan primer tegangan fasa-fasa adalah 1/√3 kali rasio setiap trafo. Terjadi sudut 30° antara tegangan fasa-fasa antara primer dan sekunder yang berarti bahwa trafo Y-Δ tidak bisa diparalelkan dengan trafo Y-Y atau trafo Δ-Δ. Hubungan transformator Y-Δ dapat dilihat pada Gambar 2.15. Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan
tegangan phasa primer (VLP=√ 3 Vphp), dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan phasa (VLS = Vphs) sehingga di peroleh perbandingan tegangan pada hubungan Y-Δ adalah:
Gambar2.15 Transformator 3 phasa hubungan Y-Δ.
3. Hubungan Delta-wye (Δ-Y)
Transformator hubungan Δ-Y, digunakan untuk menurunkan tegangan dari tegangan transmisi ke tegangan rendah. Transformator hubungan Δ-Y dapat dilihat pada Gambar 2.16. Pada hubungan Δ-Y, tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa primer (VLP= Vphp), dan tegangan sisi sekundernya
(VLS=√ 3Vphs), maka perbandingan hubungan Δ-Y adalah :
=
√ =√ ……….……2.37
Gambar 2.16 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Y.
4. Hubungan Delta - delta (Δ-Δ)
Pada transformator hubungan Δ-Δ, tegangan kawat ke kawat dan tegangan phasa sama untuk sisi primer dan sekunder transformator (VRS = VST= VTR= VLN), maka perbandingan tegangannya adalah :
= = a ………..………2.38
Sedangkan arus pada transformator hubungan Δ-Δ adalah :
IL=√ 3Ip ………....2.39
IL = arus line to line IP = arus phasa
Gambar 2.17 Transformator 3 phasa hubungan Δ-Δ.
II.5 TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Transformator distribusi merupakan alat yang memegang peran penting dalam sistem distribusi.Transformator distribusi mengubah tegangan menengah menjadi tegangan rendah. Transformator distribusi yang umum digunakan adalah transformator step-down 20KV/400V. Tegangan fasa ke fasa sistem jaringan tegangan rendah adalah 380V. Karena terjadi drop tegangan, maka pada rak tegangan rendah dibuat di atas 380V agar tegangan pada ujung penerima tidak lebih kecil dari 380V.
berbentuk sinusoidal pula. Karena fluks tersebut mengalir melalui inti yang mana pada inti tersebut terdapat belitan primer dan sekunder, maka pada belitan primer dan sekunder tersebut akan timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi, tetapi arah ggl induksi primer berlawanan dengan arah ggl induksi sekunder. Sedangkan frekuensi masing-masing tegangan sama dengan frekuensi sumbernya.
II.6 SPESIFIKASI UMUM TEGANGAN PRIMER TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Tegangan primer sesuai dengan tegangan nominal sistem pada jaringan tegangan menengah (JTM) yang berlaku di lingkungan ketenagalistrikan yaitu 6 KV dan 20 KV. Dengan demikian ada dua macam transformator distribusi yang dibedakan oleh tegangan primernya, yaitu :
a. Transformator distribusi bertegangan primer 6 KV b. Transformator distribusi bertegangan primer 20 KV Catatan:
Pada sistem distribusi tiga phasa, 4 kawat, maka pada transformator phasa tunggal yang dipasang tentunya mempunyai tegangan pengenal, misalnya
untuk 20 KV yaitu :
√ =12 kV.
II. 7 SPESIFIKASI TEGANGAN SEKUNDER TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Tegangan sekunder ditetapkan tanpa disesuaikan dengan tegangan nominal sistem jaringan tegangan rendah (JTR) yang berlaku dilingkungan PLN (127 V & 220 V) untuk sitem phasa tunggal dan 127/220 V dan 220/380 V untuk sistem tiga phasa, yaitu 133/231 V dan 231/ 400 V (pada keadaan tanpa beban). Dengan demikian ada empat macam transformator distribusi yang dibedakan oleh tegangan sekundernya, yaitu :
a. Transformator distribusi bertegangan sekunder 133/231 V b. Transformator distribusi bertegangan sekunder 231/400 V
c. Transformator distribusi bertegangan sekumder 133/231 V dan 231/400 V yang dapat digunakan secara serentak
Bilamana dipakai tidak serentak maka dengan bertegangan sekunder 231/400 V daya transformator tetap 100% daya pengenal, sedang tegangan sekunder 133/231 V dayanya hanya 75% daya pengenal d. Transformator distribusi bertegangan sekunder 133/231 V yang
digunakan terpisah.
II. 8 SPESIFIKASI UMUM PENYADAPAN (TAPING) TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Ada tiga macam penyadapan tanpa beban (STB), yaitu : a. Sadapan tanpa beban tiga langkah : 21 ; 20 ; 19 kV
b. Sadapan tanpa beban lima langkah : 22 ; 21 ; 20 ; 19 ; 18 kV c. Sadapan tanpa beban lima langkah : 21 ; 20,5 ; 20 ; 19,5 ; 19 kV
Penyadapan dilakukan dengan pengubah sadapan (komutator) pada keadan tanpa beban pada sisi primer
Catatan :
Nilai-nilai tegangan sadapan, khususnya penyadapan utama (principle tapping), adalah nilai-nilai yang bersesuaian dengan besaran-besaran pengenal.
II. 9 SPESIFIKASI UMUM RUGI-RUGI TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Berbagai nilai dari rugi-rugi transformator distribusi menurut SPLN 50 tahun 1997 dapat dilihat pada table 3.1 berikut ini :
KVA Rating Rugi Besi (Watt) Rugi Tembaga (Watt)
680 1300 6500
Table 3.1 Spesifikasi Umum Rugi_rugi Transformator Distribusi
II.10 REGULASI TEGANGAN TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Regulasi tegangan transformator didefenisikan sebagai perubahan pada tegangan terminal sekunder transformator yang dinyatakan dalam persentase (atau dalam per unit) terhadap tegangan nominal sekunder pada saat berbeban dengan factor daya yang dapat berkurang hingga nol.
Jika V2adalah tegangan terminal sekunder untuk setiap beban E2adalah tegangan terminal sekunder pada saat tanpa beban. Dan dengan beban tertentu dan factor daya tertentu, maka regulasi tegangan transformator dapat dirumuskan sebagai berikut :
VR= ………2.40
Tegangan nominal sekunder transformator adalah sama dengan tegangan terminal transformator pada saat berbeban yaitu V2jadi persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut :
VR= ( ) ( )
( ) dalam per unit……….2.41
VR= ( ) ( )
( ) x 100%...2.42
Dimana :
Vs(NL)= Tegangan terminal sekunder pada saat tanpa beban (Volt)
Vs(FL)= Tegangan terminal sekunder untuk setiap beban (Volt)
II.11 EFISIENSI TRANSFORMATOR DISTRIBUSI
Efisiensi dinyatakan sebagai :
η = = ∑ ……….………2.43
atau:
η = x 100%...2.44
dimana : Pout = Daya keluaran (Watt)
Pin = Daya masukan (Watt)
∑ − = Pcu + Pci
Pcu = Rugi tembaga (Watt)
Pi = Rugi inti (Watt)
1. Perubahan efisiensi terhadap beban
Perubahab efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai
η = ………2.45
agar η maksimum, maka
(I2R2ek+ ) = 0
Jadi,
R2ek=
Pi = 2 R2ek= Pcu……….…………2.46
2. Perubahan efisiensi terhadap factor daya (Cos ) beban
Perubahan efisiensi terhadap factor daya (Cos ) beban dapat dinyatakan
Sebagai : η = 1− ∑ ∑ …………...….………2.47
η = 1 ̶ ∑ ⁄
∑ ⁄ ………..2.48
Bila∑ ⁄ 2 2 = X = konstan
Maka, η = 1 ̶ = 1 ̶ ⁄
