TRANSFORMATOR (TRAFO)

Transformator atau biasa dikenal trafo  MERUPAKAN PERANGKAT Elektris  yang memindah energi AC dari 1 sirkuit ke sirkuit lainnya dengan kopel magnetis dari kumparan primer dan sekundernya.  Hal tersebut dapat dicapai melalui induksi bersama (M) antara dua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Nilai Koefisien kopel dari transformator  tergantung pada bentuk dan ukuran kumparan, kedudukan relatif serta karakter inti dari kedua kumparan tersebut. Salah satu idealnya transformator yaitu apabila seluruh garis-garis fluk magnet yang diproduksi oleh komponen primer memotong komponen sekundernya. Nilai Koefisien Kopel yang tinggi mempercepat transfer energi yang terjadi.

Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan AC, fluks AC timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik) induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday, Bila arus bolak balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl).

Gambar 1. Transformer Standar

Berdasarkan hukum Faraday yang menyatakan magnitude dari electromotive force (emf) proporsional terhadap perubahan fluks terhubung dan hukum Lenz yang menyatakan arah dari emf berlawanan dengan arah fluks sebagai reaksi perlawanan dari perubahan fluks tersebut didapatkan persaman:

Dimana:

e = emf sesaat (instantaneous emf)

Ψ = fluks terhubung (linked flux)

Dan pada transformer ideal yang dieksitasi dengan sumber sinusoidal berlaku persamaan:

E = 4,44 ×F_m ×N.f

Dimana:

E= Tegangan (rms)

N = jumlah lilitan

Φm = fluks puncak (peak flux)

f = frekuensi

dan persamaan:

Dikarenakan pada transformer ideal seluruh mutual flux yang dihasilkan salah satu kumparan akan diterima seutuhnya oleh kumparan yang lainnya tanpa adanya leakage flux maupun loss lain misalnya berubah menjadi panas. Atas dasar inilah didapatkan pula persamaan:

P₁ =P₂

V₁.I₁ = V₂.I₂

N₁.I₁ = N₂.I₂

Gambar 2. Grafik arus, tegangan dan fluks yang terjadi

Beberapa alasan digunakannya transformer, antara lain :

1.      Tegangan yang dihasilkan sumber tidak sesuai dengan tegangan pemakai,

2.      Biasanya sumber jauh dari pemakai sehingga perlu tegangan tinggi (pada jaringan transmisi),dan

3.      Kebutuhan pemakai/beban memerlukan tegangan yang bervariasi. Selain kapasitas daya, dalam pemilihan transformator distribusi kita juga harus mengetahui:

a)    Bushing

Bushing merupakan salah satu komponen pada transformator sebagai tempat penghubung antara transformator dengan jaringan luar. Bushing terbuat dari porselin, dimana porselin ini berfungsi sebagai penyekat antara konduktor (penghantar yang bertegangan) dengan tangki transformator.

b)   Sistem Pendinginan

Dalam memilih transformator kita harus mengetahui system pendinginan yang digunakan transformator tersebut.

c)    Peralatan Proteksi

Transformator distribusi yang digunakan harus memiliki peralatan proteksi.

d)   Indikator

Indikator dalam transformator digunakan untuk mengetahui tinggi dari permukaan minyak dan temperature / suhu minyak.

e)    Tap Changer

Tap Changer adalah perubahan tegangan dari satu tegangan ke tegangan lain dilakukan dalam keadaan tanpa beban (tegangan off) dan dilakukan secara manual melalui sebuah tuas.

f)    Spesifikasi Teknis Transformator

Untuk pemilihan transformator perlu melihat spesifikasi teknisnya, apakah transformator tersebut Step Up atau transformator Step Down

Deskripsi kerja transformator step down

Transformator ini berfungsi untuk menaikkan tegangan misalnya dari 380 V pada sisi

primer menjadi 20 KV pada sisi sekunder.

Deskripsi kerja transformator step up

Transformator ini berfungsi untuk menurunkan tegangan misalnya dari 20 KV pada

sisi primer menjadi 380 V pada sisi sekunder.

Transformator terdiri dari 2 lilitan dari kawat yang terisolasi yang digulungkan pada corenya. Kumparan primer biasanya digulung sesuai bentuk tertentu kemudian diisolasi dengan kain atau kertas. Kemudian gulungan sekunder digulung di atas gulungan primer dan dibungkus isolasi.

Gulungan kemudian dipasang ke inti transformator. Core (inti) punya beberapa bentuk dan bahan. Bahan yang paling umum adalah udara, besi lunak, dan baja laminasi. Jenis yang paling umum dari transformator adalah shell-core dan jenis berlubang-core.

Gambar 3. Konstruksi Transformator Bentuk Shell-core

Ketika kumparan sekunder dihubungkan beban, menyebabkan arus mengalir ke kumparan sekunder, terjadi penurunan medan magnet sesaat. Kemudian kumparan primer menarik arus lebih banyak, dan memulihkan medan magnet ke kondisi awal. Fase dari aliran arus pada sirkuit sekunder bergantung pada fase tegangan yang melewati sirkuit primer. Jika kumparan sekunder dililit dengan arah seperti kumparan sekunder, fasenya yang dihasilkan sama. Jika pelilitannya dibalik, maka fasenya akan terbalik. Dalam skema gambar, ini ditunjukkan dengan fase titik. Titik berarti kawat dari kumparan primer dan skunder memiliki fasa yang sama. Tidak adanya fase titik pada skema berarti ada pembalikan fase. 

Gambar 4. Polaritas yang bergantung arah kumparan

Perbandingan putaran gulungan transformer ditentukan dari perbandingan jumlaah putaran kawat pada kumparan primer dan sekunder. Misalnya saja perbandingan putarannya 1:2 berarti putaran Kumparan sekunder dua kali dari putaran kumparan primer. Sehingga tegangan yang melintas pada skunder dua kali dari tegangan yang diberikan pada kumparan primer.

Gambar 5. Perbandingan tegangan dan putaran transformator

Perbandingan daya dan arus transformator ditentukan oleh daya nyata yang dikirim ke kumparan sekunder selalu sama dengan daya yang dikirim ke kumparan primer dikurangi dengan rugi-rugi transformator. Hal ini diformulasikan dengan rumus:

Ps =P_P-P_L

P_s = Daya yang dikirim ke beban oleh kumparan sekunder

P_p= Dyaa yang dikirim ke kumparan primer

P_L= daya yang hilang dalam transformator

Rugi-rugi Transformator

Transformator mempunyai beberapa rugi-rugi yaitu rugi karena material tembaga yang dibuat sebagai kawat kumparan (disebabkan oleh resistansi kawat) dan rugi magnetis (disebabkan oleh arus pusar/eddy current).

1.        Rugi Arus Pusar (Eddy Current-Losses)

Arus pusar adalah arus yang mengalir pada material inti karena tegangan yang diinduksi oleh fluks. Arah pergerakan arus pusar adalah 90^o terhadap arah fluks

Gambar 6. Eddy Current Losses

Dengan adanya resistansi dari material inti maka arus pusar dapat menimbulkan panas sehingga mempengaruhi sifat fisik material inti tersebut bahkan hingga membuat transformer terbakar. Untuk mengurangi efek arus pusar maka material inti harus dibuat tipis dan dilaminasi sehingga dapat disusun hingga sesuai tebal yang diperlukan. Rugi arus pusar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

pe = ke . f ² . t ² . B²_max

pe = Rugi arus pusar [w/kg]

ke = Konstanta material inti

f = frekuensi [Hz]

t = ketebalan material [m]

Bmax = Nilai puncak medan magnet [T]

2.        Rugi Hysterisis

Rugi hysterisis terjadi karena respon yang lambat dari material inti. Hal ini terjadi karena masih adanya medan magnetik residu yang bekerja pada material, jadi saat arus eksitasi bernilai 0, fluks tidak serta merta berubah menjadi 0 namun perlahan-lahan menuju 0. Sebelum fluks mencapai nilai 0 arus sudah mulai mengalir kembali atau dengan kata lain arus sudah bernilai tidak sama dengan 0 sehingga akan membangkitkan fluks kembali. Grafik hysterisis dapat dilihat pada Gambar

Gambar 7. Grafik Rugi Histerisis

Untuk mengurangi rugi ini, material inti dibuat dari besi lunak yang umum digunakan adalah besi silikon. Besarnya rugi hysterisis dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

p_h = k_h f₂ B ⁿ _max

dimana:

p_h = Rugi arus pusar [w/kg]

k_h = Konstanta material inti

f = frekuensi [Hz]

Bmax = Nilai puncak medan magnet [T]

n = Nilai eksponensial, tergantung material dan Bmax

Rugi hysteris maupun rugi arus pusar bernilai tetap, tidak bergantung pada besarnya beban.

3.        Rugi Tembaga

Rugi tembaga adalah rugi yang dihasilkan oleh konduktor/tembaga yang digunakan sebagai bahan pembuat kumparan. Rugi ini diakibatkan oleh adanya resistansi bahan. Nilai

resistansi konduktor dapat dihitung dengan Persamaan:

Dimana:

R = Tahanan (Ohm)

ρ = Tahanan jenis (Ohm.m)

l = Panjang (m)

A = Luas penampang (m²)

Sedangkan untuk menghitung kerugian tembaga itu sendiri dapat mempergunakan Persamaan

 resistansi untuk sisi primer dan Persamaan untuk sisi sekunder.

P_cp = I_p² × R_{p (untuk primer)}

P_cs = I_p² × R_{p (untuk skunder)}

Pcp = Rugi konduktor primer

Pcs = Rugi konduktor sekunder

Ip = Arus pada kumparan primer

Is = Arus pada kumparan sekunder

Rp = Tahanan kumparan primer, didapat dari Persamaan 2.11

Rs = Tahanan kumparan sekunder, didapat dari Persamaan 2.11

Efisiensi Transformator

Efisiensi transformer adalah perbandingan antara daya output yang dihasilkan dibanding dengan daya input masukannya.

_{Efisiensi =} P in/ Pout x 100%

Macam-macam Trafo

1. Trafo Radio

_2. Trafo Pengukuran

2.1 Current Transformer

2.2 Potential Transformer

2.3 Trafo Tenaga