Transformator

Pendahuluan

Transformator adalah suatu alat listrik yang digunakan untuk mentransformasikan daya atau energi listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai, dan ekonomis untuk tiap tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.

Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi:

1. Transformator daya.

2. Transformator distribusi.

3. Transformator pengukuran (transformator arus dan transformator tegangan).

Kerja transformator yang berdasarkan induksi-elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama.

Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam transformator, yaitu tipe inti dan tipe cangkang.  

Gambar 1 Tipe kumparan transformator

Keadaan Transformator Tanpa Beban

Gambar 2 Transformator Tanpa Beban

Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V₁ yang sinusoid, akan mengalirkan arus primer I_o yang juga sinusoid dan dengan menganggap belitan N₁ reaktif murni, I_o  akan tertingagal 90⁰  dari V₁ (gambar 2). Arus primer I_o  menimbulkan fluks (Φ) yang sefasa juga berbentuk sinusoid.

                                                Φ = Φmaks sin ωt

Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi e₁ ( Hukum Faraday )

                      e ₁ =  - N ₁ .  d Φ/dt

                       e₁ = - N₁. d(Φmaks sin ωt)/dt = -N₁.ω.Фmaks.cosωt  (tertinggal 90º dari Ф)

harga efektifnya adalah      E₁ =  N₁.2 p ƒФmaks / Ö2 = 4.44 n₁. ƒФmaks

Pada rangkaian skunder, fluks (Ф) bersama tadi menimbulkan

                          e₁ = - N₂. d Φ/dt

                          e₁ = - N₂. ω.Фmaks.cosωt

                          E₂ =  4.44 N₂. ƒФmaks

                               E₁/E₂ = N₁/N₂

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor,

                           E₁ / E₂  =  V₁ / V₂   =   N₁ / N₂  =  a.

                         a = perbandingan transformasi

Dalam hal ini tegangan induksi E₁ mempunyai kebesaran yang sama tetapi berlawanan arah dengan tegangan sumber V₁.

Arus Penguat

Arus primer Io yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani disebut arus penguat.  Dalam kenyataannya arus primer Io bukanlah merupakan arus induktif murni, sehingga ia terdiri atas dua komponen ( Gambar 3 )

(1) Komponen arus pemagnetan IM, yang menghasilkan fluks (Φ). Karena sifat besi yang non linear (ingat kurva B-H) , maka arus pemagnetan IM dan juga fluks (Ф) dalam kenyataannya tidak berbentuk sinusoid (Gambar 4).

(2) Komponen arus rugi tembaga Ic, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi histerisis dan arus ‘eddy’. Ic sefasa dengan V₁, dengan demikian hasil perkalian  (Ic x V₁) merupakan daya  (watt) yang hilang.

Gambar 3 Arus penguat                                                        Gambar 4 Pemagnetan

Keadaan Berbeban

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban Z₁, I₂ mengalir pada kumparan sekunder dimana I₂ = V₂/Z_L dengan q₂ = faktor kerja beban.

Gambar 5  Transformator dalam keadaan berbeban

Arus beban I₂ ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N₂I₂ yang cenderung menentang fluks (Ф) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan I_M. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I’₂, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I₂, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi :

                                                I₁ = Io + I’₂

Bila rugi besi diabaikan  ( Ic diabaikan ) maka Io =  I_M

                                               I₁ =   I_M  + I’₂

Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan I_M saja, berlaku hubungan :

                                              N₁ I_M = N₁ I₁ – N₂ I₂

                                              N₁ I_M = N₁ ( I₁ – I’₂) - N₂ I₂

Hingga                                     N₁ I’_{2  =}   N₂ I₂

Karena nilai IM dianggap kecil maka :

                                      I₁ = I’₂

Jadi  à N₁/I₁=N₂/I₂ atau I₁/I₂=N₂/I₁

Rangkaian Pengganti

Dalam pembahasan terdahulu kita mengabaikan adanya tahanan dan fluks bocor, Analisa selanjutnya akan memperhitungkan kedua hal tersebut. Tidak seluruh fluks (Ф) yang dihasilkan

Oleh arus permagnetan  I_M merupakan Fluks bersama (Ф_M), sebagian darinya hanya mencakup kumparan primer (Φ₁) atau kumparan sekunder saja (Φ₂). Dalam model rangkaian (rankaian ekivalen) yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor . Ф₁ dan Ф₂ ditunjukkan sebagai reaktansi X₁ dan X₂. Sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R₁ dan R₂. Dengan demikian ‘model’ rangkaian dapat dituliskan seperti pada gambar 6.

Gambar 6 Rangakaian pengganti transformator

Dalam rangkaian diatas dapat dibuat vektor diagramnya sebagai terlukis pada gambar 7.

Gambar 7 Vektor diagram rangkaian pengganti

Dari model rankaian diatas dapat pula diketahui hubungan penjumlahan vektor :

                                        V₁ = E₁ + I₁R₁ + I₁X₁

                                        E₂ = V₂ = I₂R₂ + I₂X₂

                                        E₁ / E₂ = N₁ / N₂ = a atau E₁ = a E₂

                                        E₁ = a ( I₂Z_L + I₂R₂ + I₂X₂)

  Karena    I’₂ / I₂ = N₂ / N₁ = a atau    I₂ = aI’₂

  Maka    E₁ = a² ( I’₂Z_L + I’₂R₂ + I’₂X₂)

 Dan       V₁ = E₁ = a² ( I₂Z_L + I₂R₂ + I₂X₂) + I₁(R₁ + X₁ )

Persamaan terakhir mengandung pengertian bahwa apabila parameter rangkaian sekunder dinyatakan dalam harga primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a² .

Sekarang model rangkaian menjadi sebagi terlihat pada gambar 8.

Gambar 8 Rangkaian pengganti dilihat dari isi primer

Untuk memudahkan  analisis (perhitungan), model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 9 Rangkaian pengganti dilihat dari sisi primer

Vektor diagram rangkaian diatas untuk beban dengan faktor kerja terbelakang (induktif) dapat dilukiskan pada gambar 10.

Gambar 10 Vektor diagram rangkaian pengganti