TRANSFORMATOR

PENGERTIAN

Transformator adalah peralatan /mesin Listrik yang dapat memindahkan dan mengubah Energi listrik dari satu atau lebih rangkaian Listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui Gandengan magnit dan berdasarkan prinsip Induksi elektromagnetik.

Bagian-bagian Trafo

1.Inti Besi

3.Kumparan Sekunder

2.Kumparan Primer

KEGUNAAN TRANSFORMATOR

1. UNTUK MEMPEROLEH TEGANGAN SESUAI DENGAN PERSYARATAN PERALATAN LISTRIK

Misalnya kita mempunyai peralatan listrik dengan tegangan 110 volt sedangkan tegangan PLN adalah 220 volt, maka kita pergunakan trafo untuk memperoleh tegangan 110 volt.

Trafo Trafo

Peralatan Listrik

110 V 220 V

I II

110 V220 V

2. PADA SISTEM TENAGA LISTRIK

Disebut : TRAFO TENAGA

yaitu yang berfungsi untuk menurunkan tegangan dari tegangan lebih tinggi ke tegangan yang lebih rendah

a. STEP UP TRANSFORMER (TRAFO PENAIK TEGANGAN)

b. STEP DOWN TRANSFORMER (TRAFO PENURUN TEGANGAN)

yaitu yang berfungsi untuk menaikkan tegangan dari tegangan lebih rendah ke tegangan yang lebih tinggi

Pusat Pembangkit(PLTU,PLTA,PLTG,PLTD,PLTP)

Gardu Induk (GI)Gardu

Distribusi

Pelanggan besar/Industri

Saluran UdaraTegangan Rendah

SKTL

Pelanggan Domestik

Saluran UdaraTegangan Tinggi(SUTT)

Saluran UdaraTegangan Menengah

(SUTM)

6 kV

150-500 kV 20 kV

220 V

SISTEM TENAGA LISTRIK

TRAFO STEP DOWN

3. UNTUK MENGADAKAN PENGUKURAN DARI BESARAN LISTRIK

Trafo yang dipergunakan untuk mengadakan pengukuran dari besaran listrik (yaitu tegangan dan arus yang tinggi). Disebut TRAFO INSTRUMEN atau TRAFO PENGUKURAN.

V

Beban Beban

A

TRAFO TEGANGAN TRAFO ARUS

(a) Voltage transformer

(b) Current transformer

PRINSIP KERJA TRAFOPRINSIP KERJA TRAFO

i0

V1 E1

(b)

N1 N2E1 E2

(a)

V1

i0

Apabila pada kumparan primer suatu trafo (lihat gambar a) dihubungkan dengan tegangan V1 yang sinusoida maka akan mengalir arus primer I0 yang juga sinusoida. Dengan menganggap jumlah belitan pada kumparan primer N1 relatip murni, I0 akan tertinggal 900 dari V1 (lihat gambar b).

Arus primer I0 akan menimbulkan fluksi yang sefasa dan juga berbentuk sinusoida : = m sin ωt ; m = fluksi maksimum.

Fluksi yang sinusoida ini akan menghasilkan tegangan induksi e1 yang menurut hukum induksi Faraday besarnya adalah :

t -N dt

dNe mak

cos111

Harga efektifnya:

makmak f N

f NE

11

1 44,42

2

N1 N2E1 E2

(a)

V1

i0

Pada rangkaian sekunder dengan jumlah lilitan N2, fluksi bersama tadi menimbulkan

tNdt

dNe mak

cos 222

f 44,42

f2 2

22 mak

mak NN

E

Sehingga dengan mengabaikan rugi-rugi tahanan dan adanya fluks bocor, maka:

aN

N

V

V

E

E

2

1

2

1

2

1a adalah perbandingan transformasi

N1 N2E1 E2

(a)

V1

i0

Arus Penguat

Arus penguat adalah : arus primer I0 yang mengalir pada kumparan primer ketika kumparan sekunder tidak dibebani (terbuka)

Ic ImRc

Io

XmV1

Arus Io terdiri dari IC dan Im

Arus Im menghasilkan fluksi .

Komponen arus Ic menyatakandaya yang hilang akibat adanyarugi histerisis dan arus eddy.Daya yang hilang dlm Wattadalah Ic x V1

Φ

ImIo

Ic

V1 E1

KEADAAN BERBEBAN

Apabila kumparan sekunder dihubungkan ke beban ZL, I2 mengalir pada kumparan sekunder, dengan

LZ

VI 2

2

Adanya arus beban I2 ini menimbulkan arus I/2 pada

kumparan primer

021 III

N1 N2E1 E2

V1ZL V2

I2I1

RANGKAIAN EKIVALEN

1. Rugi-rugi tembaga (I2R)

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam menyusun rangkaian ekivalen trafo adalah:

4. Fluks bocor

2. Rugi-rugi arus eddy3. Rugi-rugi Histerisis

Sumber Kumpprimer

Inti Besi Kump sekunder

Beban

Rangkaian Ekuivalen Trafo Rangkaian Ekuivalen Trafo BeBerbebanrbeban

Rangkaian Ekuivalen Trafo Tanpa Rangkaian Ekuivalen Trafo Tanpa BebanBeban

V1

Io

Ic Im

R2 – resistansi belitan sekunderX2 – reaktansi belitan sekunder

Io = Ic + Im

V1 = E1 + Io (R1 + j X1)

R1 – resistansi belitan primerX1 – reaktansi belitan primerRc – resistansi pemagnetanXm – reaktansi pemagnetanIc – arus rugi intiIm – arus magnetisasi

Model/Persamaan Matematik

111111 XIRIEV

222222 XIRIVE

atau 21 a EE

aN

N

2

1

2

1 E

E

sehingga 222221 XIRIZIaE L

Karena:

aN

N

I

I 1

1

2

2

2

atau 22 IaI

maka

22

222

22

21 XIaRIaZIaE L

222221 XIRIZIaE L

dan

111122

222

22

21 XIRIXIaRIaZIaV L

111111 XIRIEV

a V2

X1

V1

I1 a2X2

Xm

R1 a2R2

a2ZL

Io

Rangkaian ekivalen trafo dilihat di sisi primer

I2/

Apabila Io diabaikan, maka diperoleh rangkaian ekivalen seperti dibawah ini :

a V2

X1

V1

I1 a2X2

Xm

R1 a2R2

a2ZL

Io

I2/

Rangkaian ekuivalen pendekatan

Rangkaian ekivalen trafo dilihat di sisi sekunder

V2

I2X1/a2

V1/a

aI1 X2

Rc/a2

R1/a2R2

ZLXm/a2

Io

Jika digunakan sisi sekunder sebagai acuan (dilihat dari sisi sekunder), maka didapat rangkaian ekivalen seperti dibawah ini

MENENTUKAN PARAMETER TRAFO

Nilai resistansi dan induktansi trafo dapat ditentukan secara eksperimen, yaitu dengan rangkaian hubung terbuka (open circuit) dan rangkaian hubung singkat (short circuit)

Uji rangkaian terbuka:

X1

V1

I1 a2X2

Xm

R1 a2R2

R1 dan X1 diabaikan:

Xmj

RcYE

11

OC

OCE V

IY

OCOC

OC

IV

P

cos

X1

V1

I1 a2X2

Xm

R1 a2R2

Faktor daya:

Faktor daya pada sebuah trafo selalu lagging, jadi arus selalu tertinggal terhadap tegangan sebesar θ0.

Jadi admitansi YE adalah

OC

OCE V

IY

Uji Hubung Singkat

X1

V1

I1 a2X2

Xm

R1 a2R2

Kumparan sekunder dihubung singkatkan sedangkan kumparanprimer dihubungkan ke tegangan sumber tegangan sangat rendah.

Untuk menghindari kerusakan, tegangan yang diberikan ke kumparan primer dimulai dari nol dan dinaikkan perlahan-lahan dan harus dihentikan ketika arus mencapai nilai kapasitas trafo.

Dengan mengukur tegangan Vsc, arus Isc, dan daya Psc dapat Diketahui parameter:

21

sc

sceq

I

PR

111 eqeqsc

sceq jXR

I

VZ

21

211 eqeqeq RZX

Contoh soal:

Pada pengujian sebuah trafo 20 kVA, 8000/240 Volt, 60 Hz disisi primer didapat data sebagai berikut:

Uji UjiRangkaian Terbuka Hubung Singkat

VOC = 8000 Volt VSC = 489 Volt

IOC = 0,214 Ampere ISC = 2,5 Ampere

POC = 400 Watt PSC = 240 Watt

Dapatkan rangkaian ekivalen yang disederhanakan dilihat disisi primer.

Penyelesaian:

Uji rangkaian terbuka:

234,0

)214,0)(8000(

400cos

OCOC

OC

IV

P tertinggal

000 5,760000268,05,76

8000

214,05,76

OC

OCE V

IY

mCE X

jR

jY11

0000261,00000063,0

kRC 159

0000063,0

1Jadi,

kX m 4,38

0000261,0

1

05,76

Uji Rangkaian Hubung Singkat:

196,0

)5,2)(489(

240cos

SCSC

SC

IV

P

07,78

Impedansi seri adalah

7,786,1957,78

5.2

489

SC

SCSE I

VZ

4,387,78cos6,1951eqR

1927,78sin6,1951eqX

Xeq1Req1

aV2

I2

V1

I1

Contoh

Dapatkan:

b. Rugi-rugi daya pada saluran transmisi (region 2)

a. Tegangan beban

c. Daya yang dikirim oleh generator

T2T1

Eliminasi T2:

201

202 a

022 304000 LL ZaZ

ZL/

T1

1:10j60 Ω20 Ω

02 3040006020 jZ

2060102,3484 j

Z2

T1

1:10

Eliminasi T1:

ZekVG

IG

2060102,34842 jZ 06,30538,4047

00

6,304754,40100

6,30538,4047

ekZ

10

11 a

0

0

6,304754,40

0480

GI

06,308591,11

Daya yang dikirim oleh generator:

00 6,3035,56926,308591,11480 GGG IVS VA

95,4899)6,30cos(35,5692 0 GP Watt

Daya hilang pada saluran Pline

01 6,301859,1 Ginel xIaI

1275,2820 2 lineinel xIP

Tegangan beban Vload:

0

02

6,307181,23

6,301859,120

xxIaI lineload

00 6,307181,233010 loadloadload xIZV 06,0181,237

Regulasi TeganganRegulasi Tegangan

Regulasi Tegangan (Voltage Regulation) adalah perubahan tegangan sekunder antara beban nol dan beban penuh pada faktor daya tertentu dengan tegangan primer konstan.

Dengan mengacu pada gambar 2.14, dimana transformator direprensentasikan sebagai inpedansi seri Zeq dengan kondisi tanpa beban, maka tegangan terminal beban :

Jika beban dihubungkan ke sekunder trafo, maka tegangan terminal trafo

Tegangan terminal beban dapat naik atau turun tergantung pada sifat beban

Perubahan tegangan ini disebabkan oleh penurunan tegangan (IZ) dalam impedansi internal transformator

Untuk mengurangi besarnya perubahan tegangan, transformator harus dirancang dengan impedansi internal Zeq rendah

Regulasi Tegangan dinyatakan sbb :

Besaran tegangan pada persamaan tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rangkaian ekivalen yang disetarakan pada rangkaian primer maupun sekunder

Dengan mengacu pada gambar 2.11b, regulasi tegangan adalah :ah :

Umumnya tegangan beban adalah tegangan nominal, maka

Dari gambar tersebut

Bila beban off , V1 akan dinyatakan sebagai V2

’

Maka Regulasi tegangan dalam persen

Pengaturan tegangan tergantung pada faktor daya beban

Berdasarkan Persamaan. 2.19 dan Gambar. 2.11, diagram fasor digambarkan dalam Gambar. 2.14b

Lokus adalah lingkaran radius

Besarnya V1 akan maksimum jika fasor sefase dengan V2 ‘

Dari persamaan sebelumnya :

Olehkarena nya pengaturan tegangan maksimum terjadi jika sudut faktor daya beban sama dengan sudut impedansi ekivalen transformator dan faktor daya beban tertinggal

Efisiensi

Transformator adalah perangkat statis, tidak ada kerugian rotasi seperti kerugian hambatan angin dan gesekan pada mesin berputar

Dalam sebuah transformator yang dirancang dengan baik efisiensi dapat setinggi 99%

Efisiensi didefinisikan sebagai berikut:

Rugi-rugi trafo terdiri dari rugi inti ( ) dan rugi tembaga cP )( cuP

Maka :

Rugi tembaga dapat dicari bila arus belitan dan resistansinya diketahui :

Tampak bahwa rugi tembaga fungsi Tampak bahwa rugi tembaga fungsi arusarus

Rugi inti tergantung pada fluks puncak di inti, yang pada gilirannya tergantung pada tegangan yang diberikan ke transformator

Pada umumnya transformator terhubung dengan tegangan yang konstan, maka rugi inti secara keseluruhan konstan dan dapat dicari dari pengujian tanpa beban

Maka jika parameter rangkaian ekivalen trafo diketahui, maka efisiensi trafo pada kondisi operasi dapat di tentukan

Umumnya tegangan beban dipertahankan konstan, sehingga efisiensi tergantung pada arus beban ( ) dan faktor daya beban ( )2I 2cos

Efisiensi MaksimumEfisiensi Maksimum

Nilai efisiensi maksimum terjadi bila

Maka : rugi inti = rugi tembaga

Untuk kondisi beban penuh

Misal :

Dari persamaan sebelumnya, diperoleh :

Dengan nilai-nilai tegangan terminal dan arus beban, efisiensi maksimum terjadi ketika

2V

2I

Maka kondisi efisiensi maksimum :

Maka efisiensi maksimum pada trafo terjadi ketika faktor daya beban satu (beban resistif) dan arus beban sedemikian rupa sehingga rugi tembaga = rugi inti

Variasi efisiensi terhadap arus beban dan faktor daya beban ditunjukkan pada gambar 2.15

Efisiensi sepanjang hari (Energi), AD

Tentukan efisiensi trafo sepanjang hari

Autotranformator

Adalah trafo dengan koneksi khusus, dimana tegangan ac variabel dapat diperoleh pada sisi sekunder nya (seperti pada gambar berikut) :

Karena seluruh belitan melingkupi fluksi yang sama dalam inti trafo, maka

Tegangan keluaran sekunder dapat divariasi dengan “slider” dengan rentang

Angka transformasi belitan a dan b

Angka transformasi belitan b dan c

120 VV

Kesetimbangan angka transforsi

Keuntungan koneksi autotransformator adalah reaktansi bocor rendah, rugi-rugi rendah, arus penguatan rendah, menaikkan kapasitas kVA, dan tegangan keluarnya variabel

Kerugiannya sisi primer dan sekunder terhubung langsung

Sebuah trafo satu fasa 100 kVA dua belitan dihubungkan menjadi autotrafo menghasilkan 110 kVA

Tampak bahwa kapasitas lebih tinggi autotrafo dihasilkan dari hubungan konduktif. Tidak semua 1100 kVA ditransformasikan oleh induksi elektromagnetik

Tampak juga bahwa belitan 200 Volt mempunyai isolasi yang cukup untuk menahan tegangan 2200 Volt terhadap ground

Transformator Tiga FasaTransformator Tiga Fasa

Pada sistem tiga fasa yang digunakan untuk pembangkitan dan transmisi yang berdaya besar diperlukan transformator tiga fasa

Transformator tiga fasa dapat dibangun dengan dua cara : tiga buah transformator fasa tunggal yang terhubung paralel atau satu buah transformator tiga fasa

Kerja Paralel TranformatorKerja Paralel Tranformator

Penambahan beban pada suatu saat menghendaki adanya kerja paralel transformator

Tujuan utama kerja paralel adalah agar beban yang ditanggung sebanding dengan kemampuan kVA masing-masing transformator, sehingga tidak terjadi pembebanan lebih

Syarat kerja paralel :• Kumparan primer trafo harus sesuai dengan

tegangan dan frekuensi jala-jala• Polaritas trafo harus sama• Perbandingan tegangan harus sama• Tegangan impedansi pada saat beban penuh

harus sama• Perbandingan reaktansi terhadap resistansi

sebaiknya sama

Ada empat kemungkinan koneksi pada trafo tiga fasa : Υ - ∆, ∆ - Υ, ∆ - ∆ dan Y - Y

Gambar 2.17a dan b hubungan Y - ∆, dimana pada sisi primer dengan ke tiga titik polaritas yang sama dihubungan untuk membentuk netral dari hubungan Y, pada sisi sekunder dihubungkan seri

Pada gambar b tampak bahwa V adalah tegangan antar fasa pada sisi primer dan a (=N1/N2) adalah perbandingan angka transformasi trafo satu fasa

Untuk koneksi-koneksi yang lain ditunjukkan pada gambar c, d, dan e, dimana total kVA ketiga trafo terbagi merata dalam setiap trafo satu fasa nya

Olehkarenanya kemampuan tegangan dan arus masing-masing trafo tergantung pada koneksi nya

Y -∆ : hubungan ini umum digunakan pada step-down. Netral sisi tegangan tinggi dapat ditanahkan

∆-Υ : digunakan pada step up tegangan ∆-∆ : keuntungan dari koneksi ini adalah

salah satu trafo dapat di lepas untuk perbaikan sementara dua trafo yang lain tetap dapat melayani beban tiga fasa dengan kapasitas menurun menjadi 58%. Dikenal sebagai hubungan open delta atau hubungan V

Y-Y : hubungan ini jarang digunakan karena ada masalah pada arus pengutan dan tegangan terinduksi nya

Dengan mengacu pada diagram fasor gambar 2.18 untuk trafo dengan koneksi Y-∆, fasor VAN dan Va segaris, tetapi tegangan primer VAB mendahului tegangan sekunder Vab sebesar 300

Hubungan ∆-Υ juga memberikan pergeseran 300 antara tegangan antar saluran, sebaliknya hubungan ∆-∆ dan Υ-Υ tidak ada pergeseran fasa antara tegangan antar salurannya

Jika tiga trafo satu fasa diparalelkan identik dan sumber serta beban setimbang, kemudian tegangan dan arus pada kedua sisi primer dan sekunder setimbang

Tegangan dan arus nya sefasa, kecuali pergeseran fasa 1200, Olehkarenanya analisis nya cukup satu fasa saja

Beban Y dapat diperoleh dari beban ∆ dengan menggunakan transformasi Y-∆, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.19b

Perbandingan belitan a’ rangkaian ekivalen trafo Y-Y adalah :

Olehkarenanya perbandingan angka transformasi trafo fasa tunggal adalah perbandingan tegangan antar saluran pada sisi primer dan sekunder trafo gabungan

Rangkaian ekivalen fasa tunggal ditunjukkan pada gambar d

Contoh 7

Contoh 8 :

Hubungan V• Tiga buah transformator satu fasa

diparalel yang terhubung ∆-∆, satu trafo dilepas dan sistem masih dapat melayani beban tiga-fasa disebut konfigurasi open delta atau hubungan V

• Kondisi ini digunakan pada saat salah satu trafo harus dilepas untuk perbaikan sementara beban masih harus memerlukan pelayanan

Hubungan tersebut ditunjukkan pada gambar 2.20a yang tergambar titik-titik

Gambar 2.20b menunjukkan diagram fasor tegangan dan arus

VAB, VBC, dan VCA adalah tegangan primer antar saluran

Vab, Vbc, dan Vca adalah tegangan sekunder antar saluran

Van, Vbn, dan Vcn adalah tegangan fasa beban

Untuk beban induktif, arus beban Ia, Ib, Ic akan tertinggal terhadap tegangan Van, Vbn, Vcn dengan sudut fasa beban Φ

Belitan trafo ab dan bc mengirim daya

Transformator Tiga Fasa

Trafo tiga fasa pada prinsipnya sama dengan trafo satu fasa, perbedaan yang paling mendasar adalah pada sistem kelistrikannya satu atau tiga fasa

Trafo tiga fasa bisa dihubungkan bintang, segitiga atau zig zag

Trafo tiga fasa banyak digunakan pada sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik karena pertimbangan ekonomis

Trafo tiga fasa banyak sekali mengurangi berat dan lebar kerangka, sehingga harganya lebih murah dibandingkan dengan tiga buah trafo satu fasa dengan kapasitas yang sama

Tetapi trafo tiga fasa juga mempunyai kekurangan, bila salah satu fasa mengalami kerusakan, maka seluruh trafo harus diganti

Secara umum dikenal tiga cara untuk menyambungkan rangkaian elektrik sebuah trafo tiga fasa, yaitu hubungan bintang, segitiga dan hubungan zig zag

Jika trafo dioperasikan pada kerapatan fluksi tinggi, akan memerlukan material magnetik yang kecil. Olehkarenanya untuk tujuan ekonomis trafo direncanakan beroperasi pada daerah saturasi dari inti megnetiknya.

Hal tersebut membuat arus penguatannya tidak sinusoidal yang akan mengandung komponen fundamental dan semua harmonisa ganjil

Harmonisa ke-3 lebih dominan dibandingkan dengan harmonisa ke-5, 7, 9 dan seterusnya, yang dapat diabaikan

Pada tegangan nominal, harmonisa ke-3 arus penguat 5 hingga 10% fundamental nya. Pada 150% tegangan nominal, arus harmonisa ke-3 bisa setinggi 30 hingga 40% fundamentalnya.

Dengan mengacu pada gambar 2.23a, belitan primer terhubung Y dan belitan sekunder terhubung ∆

Karena arus eksitasi tidak sinusoida (gambar b), fluksi dalam inti dan tegangan terinduksi dalam belitan akan nonsinusioda

Belitan sekunder terbuka maka tegangan pada belitannya akan direpresentasikan dengan tegangan terinduksi

Pada kondisi kedua saklar terbuka, pada kondisi ini arus harmonisa ke-3 tidak mengalir pada belitan primer

Olehkarena arus primer sinusoida. Jika arus eksitasi sinusoida, maka fluksi nonsinusioda karena karakteristik B-H yang tidak linier pada inti magnetik dan kandungan komponen harminisa ke-3

Tegangan induksi harmonisa ke-3 pada belitan menyebabkan tegangan fasa tidak sinusoida yang mengandung tegangan fundamental dan harmonisa ke-3

Tegangan pada open delta adalah merupakan penjumlahan tegangan terinduksi harmonisa ke-3 dalam belitan sekunder

Saklar SW1 membuka dan saklar SW2 menutup

Jika saklar-2 ditutup tegangan v∆0 akan mengeliminasi arus harmonisa ke-3 disekitar sekunder delta. Hal ini akan menghilangkan komponen harminisa ke-3 dari arus eksitasi primer. Maka fluksi dan tegangan terinduksi akan sinusioda (gambar c)