Transformator 1 [PDF]

Citation preview

TRANSFORMATOR Transformator memberikan cara yang sederhana untuk mengubah tegangan bolak-balik dari satu harga ke harga lain melalui kopling magnetik yang berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik pada frekuensi yang tetap. Jika transformator diberikan tegangan rendah (pada sisi primer) dan menghasilkan tegangan yang tinggi (pada sisi sekunder), maka dinamakan transformator step-up dan sebaliknya bila diberi tegangan yang tinggi (pada sisi primer) dan menghasilkan tegangan yang rendah (pada sisi sekunder) dinamakan transformator step-down. Sisi sekunder disebut juga sisi beban. Setiap transformator dapat digunakan sebagai penaik tegangan maupun penurun tegangan. Dengan adanya transformator penyaluran daya dari suatu pusat pembangkit tenaga listrik menjadi lebih praktis dan efisien. Transformator tidak mempunyai bagian yang bergerak sehingga memerlukan hanya sedikit perhatian dan biaya pemeliharaannya rendah. Efisiensi transformator cukup tinggi dan dapat mencapai 98% pada beban penuh. Transformator digunakan secara luas pada bidang tenaga listrik maupun elektronika. Dalam bidang sistem tenaga transformator digunakan untuk penyesuaian tegangan, misalnya untuk menaikkan tegangan pada sistem transmisi dan kemudian menurunkan kembali tegangan pada sistem distribusi primer dan sekunder (tegangan yang digunakan pada umumnya konsumen). Dalam bidang elektronika transformator digunakan untuk: a. Penyesuaian impedansi antara sumber dan beban (matching impedance) b. Membalikkan fasa c. Memisahkan satu rangkaian dengan rangkaian yang lain dan untuk menahan arus searah dan tetap mengalirkan arus bolak balik.



PEMBANGKITAN TEGANGAN INDUKSI Pembangkitan tegangan induksi pada suatu konduktor dapat dijelaskan berdasarkan hukum Faraday yaitu: Bila suatu konduktor berada dalam medan magnet (fluksi) yang berubah,



maka pada konduktor tersebut timbul tegangan induksi. Syarat pembangkitan tegangan induksi: a. Ada medan magnet yang berubah b. Ada konduktor.



1



I



Galvanometer (G): Berfungsi untuk mendeteksi adanya arus. Magnet permanent (M): Menghasilkan fluksi tetap (konstant)



L G



M



Konduktor (L): Tempat timbulnya tegangan induksi



Gambar 1: Pembangkitan tegangan induksi



Bila magnet permanent (M) digerak-gerakkan mendekati dan menjauhi konduktor (L), maka besarnya fluksi yang melingkupi konduktor L akan berubah besarnya (bertambah dan berkurang). Akibat perubahan fluksi pada konduktor L, sesuai dengan hukum Faraday, maka pada konduktor timbul tegangan induksi ditandai dengan bergeraknya jarum penunjuk Galvanometer (G). Fluksi yang berubah-ubah dapat dihasilkan dari: a. Magnet permanent yang posisinya diubah terhadap konduktor: - Posisi magnet berubah, sedangkan posisi konduktor tetap - Posisi magnet tetap, sedangkan posisi konduktor berubah Contoh pada generator AC (alternator) b. Belitan kawat yang dialiri oleh arus bolak-balik. Arus akan menghasilkan fluksi, dan besarnya fluksi sebanding dengan besarnya arus. Bila diberikan arus bolak balik, maka fluksinya berbentuk bolak-balik. Contoh pada transformator dan motor induksi



PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator mempunyai dua belitan primer dan sekunder, dimana kedua belitan terisolasi satu dengan yang lain. Prinsip kerja transformator berdasarkan induksi elektromagnetik, menghendaki adanya gandengan magnet (kopling magnetik) antara rangkaian primer dan sekunder. Kopling magnetik ini berupa inti besi tempat melakukan fluksi bersama. Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam bentuk inti transformator, yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type), lihat gambar 2.



a. Tipe inti



b. Tipe cangkang Gambar 2 : Tipe cangkang



2



Bila belitan primer (N1) suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal akan mengalir arus pada belitan primer yang dinamakan arus eksitasi Io yang juga sinusoidal. Arus primer Io ini akan menghasilkan fluksi () yang juga berbentuk sinusoidal, lihat gambar  = maks sin t, lihat gambar 3. 



Io V1 E 1



E 2 V2



Gambar 3: Prinsip kerja transformator



Berdasarkan hukum Faraday fluksi akan menghasilkan tegangan induksi e1



e1  - N 1



d dt



e1  - N 1



d( maks sin t) dt



=  N1



 maks cos t



Nilai efektifnya adalah: E1 



N 1 2f  maks



= 4,44N1 f maks



2



Pada rangkaian sekunder, fluksi () bersama tadi menimbulkan tegangan induksi pada sisi sekunder:



e2  - N2



d dt



d( maks sin t)  - N 2   maks cos t dt Nilai efektifnya adalah: e2  - N2



E2 



N 2 2f  maks



= 4,44N2 f maks



2



dimana: N1 = Jumlah lilitan primer N2 = Jumlah lilitan sekunder Bila diambil perbandingan antara kedua tegangan dengan mengabaikan rugi-rugi tahanan dan adanya fluksi bocor atau transformator dianggap ideal , maka:



3



E1 V1 N1   a E 2 V2 N 2 dimana : E1 = Tegangan induksi primer E2 = Tegangan induksi sekunder V1 = Tegangan primer V2 = Tegangan sekunder a = Faktor transformasi = faktor belitan transformator Bila a  1, maka transformator disebut step down transformator sedangkan bila a  1, dinamakan step up transformator. Pada transformator ideal daya masuk (VA) pada sisi primer = daya keluar (VA) pada sisi sekunder: S1 = S2 Sehingga: V1  I1 = V2  I2 Dimana: S1 = Daya pada sisi primer S2 = Daya pada sisi sekunder I1 = Arus pada sisi primer I2 = Arus pada sisi sekunder



V1 I 2 N1   a V2 I1 N 2 atau:



I1 1  I2 a Pada transformator ideal dapat juga dinyatakan bahwa daya (watt) sisi primer daya (watt) sisi sekunder P1 = P2 V1 I1 cos 1 = V2 I2 cos 2 Dimana: P1 P2 cos 1 cos 2



= Daya pada sisi primer (watt) = Daya pada sisi sekunder (watt) = Faktor daya pada sisi primer = Faktor daya pada sisi sekunder



4



TAPPING PADA TRANSFORMATOR (SADAPAN) Untuk mengatur tegangan yang masuk dan keluar dari transformator dapat dilakukan melalui beberapa tap pada sisi primer maupun sekunder, lihat gambar 4. Posisi tapping disesuaikan dengan tegangan masuk/keluar 0



0



12 110 220



Dengan



mengatur



perbandingan



lilitan



titik atau



tap,



berarti



faktor



mengatur



perbandingan



18 36



transformator (a). Perubahan ini dapat dilakukan dengan menggunakan saklar ataupun secara elektronik



Gambar 4: Tapping pada transformator



Soal: Transformator 1 fasa, 10 KVA dengan tegangan primer 1500 volt 60 Hz. Jumlah belitan primer 300 dan belitan sekunder 23. Berapakah tegangan sekunder dalam keadaan beban nol, arus pada sisi primer dan sekunder pada keadaan beban penuh. Berapakah fluksi maksimumnya.



Jawab: Tegangan primer V1 = 1500 volt Kapasitas daya S = 10 KVA Jumlah belitan primer N1= 300 Jumlah belitan sekunder N2 = 23 V1 N1  V2 N 2 N 2 V1 23 1500   115 volt N1 300 S 10.000  6,67 Amper Arus sisi primer : I1  1  V1 1500 I1 N 2  I 2 N1 IN 6,67  300  87 Amper Arus sisi sekunder : I 2  1 1  N2 23 V1= 4,44.f.N1maks V1 Fluksi maksimum :  maks  4,44  f  N1 1500  maks   0,022Wb  22 mWb 4,44  60  300



Tegangan sisi sekunder V2 



5



Soal: Kerapatan fluksi transformator 250/3000 volt adalah 1,2 Wb/m2 , frekuensi 50 Hz. Bila tegangan induksi yang dibangkitkan adalah 8 volt per belitan, berapakah: a. Jumlah belitan primer dan sekunder b. Luas penampang inti



Jawab: Besar tegangan induksi : E = jumlah belitan  tegangan induksi perbelitan Jumlah belitan primer N1 =



250 = 32 (dibulatkan) 8



Jumlah belitan sekunder N 2 = Kerapatan fluksi B mak =



3000 = 375 8



Φ mak [Wb / m 2 ] A



Sehingga: mak = Bmak  A Dimana: mak : Fluksi maksimum [Wb] A : Luas penampang [m2] Dengan memasukkan mak = B  A ke



V2= 4,44.f.N2 mak , diperoleh:



V2= 4,44. f.N2. B  A 3000 = 4,44  50  375  1,2  A Luas penampang : A =



3000 = 0,03 m2 4,44 × 50 × 375 × 1,2



Soal Suatu transformator satu fasa mempunyai belitan primer 400 dan sekunder 1000. Luas penampang inti 60 cm2. Bila tegangan primer 520 volt/50 Hz. Hitunglah: a. Kerapatan fluksi maksimum b. Tegangan induksi pada sekunder



Jawab: Faktor transformasi a =



400 = 0,4 1000



6



Tegangan induksi pada sekunder E 2 =



E 1 520 = = 1300 volt a 0,4



V1= 4,44.f.N1 Bmak. A 520 = 4,44  50  400  Bmak  (60  10-4) Kerapatan fluksi maksimun B mak =



520 4,44 × 50 × 400 × 60 × 10



4



= 0,976 Wb / m 2



Soal: Transformator 25 kVA dengan jumlah belitan primer 500 dan sekunder 50. Sisi primer dihubungkan dengan sumber 3000 volt, 50 Hz. Berapakah arus pada sisi primer dan sekunder, tegangan induksi sekunder dan fluksi maksimum pada inti.



Jawab: Faktor transformasi a =



500 = 10 50



Arus pada sisi primer I1 =



S1 25000 = = 8,33 A V1 3000



Arus pada sisi sekunder I2 = a  I1 = 10  8,33 = 83,33 A Tegangan induksi per belitan =



E N



Dimana: E : Tegangan induksi [Volt] N : Jumlah belitan 3000 = 6 volt Tegangan induksi perbelitan = 500 Tegangan induksi pada sisi sekunder = N2  6 volt = 50  6 = 300 volt Fluksi maksimum Φ mak =



E1 3000 = = 0,027Wb = 27 mWb 4,44 × f × N1 4,44 × 50 × 500



Soal: Transformator 1 fasa 100 kVA, 3300/400 volt, 50 Hz, jumlah belitan sekunder 110. Hitunglah arus primer dan sekunder pada beban penuh, fluksi maksimum pada inti dan jumlah belitan primernya.



7



Jawab:



S 100 103   30,3 Amper Arus primer: I1  V1 3300 I1 V2  I 2 V1 V I 3300  30,3 Arus sekunder: I 2  1 1   250 Amper V2 400 N1 V1  N 2 V2 V  N 2 3300  110 Jumlah belitan primer: N1  1   907 V2 400 Tegangan primer V1 = 4,44 f N1 maks V1 3300  maks    0,0164 Wb  16,4 mWb 4,44 f N1 4,44  50  907



Soal Suatu transformator melayani beban 30 A pada tegangan 240 V. Bila tegangan primer 2400 V dengan jumlah belitan 1200 . Tentukan: a. Daya VA pada sisi primer dan sekunder b. Arus pada sisi primer c. Jumlah lilitan sekunder. Jawab: a. Daya pada sisi sekunder: S2 = V2  I2 = 240  30 = 7200 VA Daya pada sisi primer:



S1 = daya pada sisi sekunder = 7200 VA



S1 = V1  I1 S 7200 Arus sisi primer: =3A I1  1  V1 2400 V1 N1 c. Ratio transformator:  V2 N 2 V 240  1200  120 lilitan Jumlah lilitan sekunder: N 2  2  N1 = 2400 V1 b. Daya pada sisi primer:



NILAI (RATING) Nilai keluaran (output) atau kapasitas transformator diberikan dalam kilovoltamper, (kVA) karena hal ini sama dengan menspesifikasikan arus beban. Nilai kVA transformator didasarkan pada keluaran maksimum yang dapat diberikan oleh transformator pada nilai tegangan sekunder



8



tertentu dan frekuensi tertentu dengan batas temperatur yang telah ditetapkan. Karena daya dalam arus bolak-balik dipengaruhi oleh faktor daya beban, maupun besarnya arus, maka nilai keluaran dalam kilowatt haruslah dinyatakan pada faktor daya yang ditetapkan. Karena alasan tersebut maka rating transformator dinyatakan dalam kVA yang tidak dipengaruhi oleh faktor daya.



Soal: Berapa kilowattkah keluaran beban penuh dari transformator 5 kVA, 2400/120 V pada faktor daya (a) 100% ; (b) 80% dan (c) 30% ; (d) Berapa arus keluaran pada beban penuhnya. Jawab: a. Untuk faktor daya 100%, daya P = kVA  faktor daya = 5  1,0 = 5



kW



daya P = kVA  faktor daya = 5  0,8 = 4



kW



b. Untuk faktor daya 80%,



daya P = kVA  faktor daya = 5  0,3 = 1,5 kW VA 5000   41,7 A d. Arus keluaran (sekunder) pada beban penuh = V 120 c. Untuk faktor daya 30%,



Arus maksimum 41,7 A diberikan oleh transformator pada tiga faktor daya yang berbeda sekalipun daya kW keluarannya masing-masing berbeda.



EFISIENSI TRANSFORMATOR Efisiensi transformator adalah perbandingan antara daya keluaran (output) yang berguna dan daya masukan (input) total. Karena masukan ke transformator sama dengan daya yang berguna ditambah rugi-rugi (losses), maka efisiensi dapat dinyatakan sebagai berikut:



Persen efisiensi 



daya keluaran  100% daya masukan



Dari persamaan di atas, terlihat bahwa efisiensi transformator dapat ditentukan untuk setiap beban dengan pengukuran secara langsung daya masuk dan daya keluar. Karena keterbatasan fasilitas



pengujian yang tersedia, kadang-kadang sulit untuk menentukan



pengukuran beban secara langsung, khususnya untuk transformator dengan daya yang sangat besar. Jika pengukuran masukan dan keluaran tidak memungkinkan, rugi-rugi transformator dapat dihitung berdasarkan konstanta-konstanta transformator. Rugi-rugi pada transformator disebabkan adanya tahanan belitan transformator (rugi-rugi I2R) dan rugi inti besi transformator.



9



TRANSFORMATOR AKTUAL (REAL TRANSFORMATOR) Yang dimaksud dengan transformator real (aktual) adalah transformator dimana resistansi dan kebocoran fluksi tidak diabaikan. Resistansi pada transformator menimbulkan rugi daya dan tegangan, sehingga mengakibatkan regulasi tegangan dan efisiensi daya. Arus penguat (arus eksitasi) Arus pada belitan primer yang mengalir pada transformator beban nol disebut dengan arus eksitasi (arus penguat). Pada kenyataannya arus penguat (Io) bukanlah merupakan arus induktif murni, akan tetapi terdiri dari dua komponen arus, yaitu: a. Komponen arus pemagnetan (Im), yang menghasilkan fluksi (). Karena sifat besi yang non linier, maka arus pemagnetan (Im) pada kenyataannya tidak berbentuk sinus. b. Komponen arus rugi inti (Ic) yang menyatakan daya (watt) yang hilang pada inti yang disebut rugi histerisis dan rugi eddy current (rugi arus putar). Arus magnetisasi dan arus rugi inti tidak dapat diukur secara langsung dengan alat ukur, sedangkan yang diukur adalah I0 (jelaskan mengapa?) 0



I0



I2 = 0 Ic



V1



Io















I0  IC  Im



Primer terbuka



Vektor diagram arus beban nol



Im Transformator beban nol



I0 Im



Ic V0



Rc



Xm



Im Rugi eddy current (Pe)



Io Ic



Rugi histerisis (Ph) Rangkaian ekivalen Transformator beban nol



Gambar 5: Rangkaian ekivalen dan vektor diagram beban nol



Rugi inti merupakan rugi daya watt, sehingga dapat diidentikkan dengan suatu resistansi (Rc). Penjumlahan arus Ic dan Im merupakan penjumlahan vektoris, sehingga: Ic = Io cos o Im = Io sin o Atau :



I o2  I c2  I 2m 10



Rugi-rugi beban nol: Po = Vo Ic



[watt]



Po = Vo Io cos o [watt] Dimana: Vo : Tegangan beban nol Io : Arus beban nol cos o : Faktor daya beban nol Catatan: 1. Arus beban nol sangat kecil dibandingkan dengan arus beban penuh pada transformator. Arus beban nol sekitar 1% dari arus beban penuh 2. Karena Io sangat kecil, rugi pada belitan primer dapat diabaikan (Io