TEKNIK ELEKTRO TRANSFORMATOR PDF

Preview

Summary

PRODI TEKNIK ELEKTRO TRANSFORMATOR Ujang Wiharja, MT PRODI TEKNIK ELEKTRO 9/18/2009 Diktat Matakuliah transformator 1 KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan syukur Alhamdullilah pembuatan bahan ajar Trnasformator, Program Studi Teknik Elektro ini telah selesai di buat. Semoga buku ajar ini akan lebih ber...

Description

PRODI TEKNIK ELEKTRO

TRANSFORMATOR Ujang Wiharja, MT PRODI TEKNIK ELEKTRO

9/18/2009

Diktat Matakuliah transformator

1

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan syukur Alhamdullilah pembuatan bahan ajar Trnasformator, Program Studi Teknik Elektro ini telah selesai di buat. Semoga buku ajar ini akan lebih berguna khusus bagi mahasiswa yang mengikuti matakuliah Transformator, buku ini berisi teori – teori dan contoh soal serta latihan soal, sehingga akan mempermudah pemahaman dan prinsip serta aplikasi transformator. Bukan tidak mungkin buku ini masih banyak kekurangan, karenanya mohon masukan atau kritik yang berguna melengkapi bahan ajar ini. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih Jakarta, September 2009 Penulis

Ujang Wiharja

Diktat Matakuliah transformator

2

BAB I TEORI MEDAN MAGNET

1.

PENGANTAR MEDAN MAGNET Suatu rangkaian magnetik terdiri dari kerangka yang sebagian besar tersusun

dari bahan magnetik berpermeabilitas tinggi. Adanya bahan berpeabilitas tinggi ini menyebabkan fluks magnetik terkurung pada jalan yang dibatsi oleh kerangka tersebut, sebagaimana dengan terkurungnya arus listrik dalam konduktor pada rangkaian listrik. Sebagai contoh yang sederhana adalah sebuah transformator, pada kumparan ini menimbulkan medan magnetik dalam inti. Medan magnetik dapat divisualisasikan dengan garis-garis fluks yang membentuk lingkaran tertutup yang terangkum oleh kumparan. Hubungan dasar antara arus (i) dan intensitas medan magnet (H) menyatakan bahwa, integral garis H mengelilingi jalan yang tertutup sama dengan arus total yang terkurung oleh jalan tersebut. Dalam penerapannya sumber medan magnetik dalam inti adalah hasl kali amper lilitan (NI) atau sering dikenal arus gerak magnet (agm). Hubungan agm dengan intensitas medan magnet (H) dalam rangkaian magnet dapat ditulis.

f  Ni  H  L .................................................................................... 2.1 Dimana : L = Panjang inti Arah H sesuai aturan tangan kanan. Hubungan antara intensitas medan magnet dan rapat fluks magnetik B adalah : BH

Wb ..................................................................................... 2.2 m2

Dimana : µ = Perbeabilitas (Wb/ Amp. Lilitan. Meter atau Hendry/ meter) µ = µr . µo (nilai µr antara 2000 - 80.000)

Diktat Matakuliah transformator

3

Garis-garis fluks magnetik Luas penampang inti

Gambar 2.1 Rangkaian magnetik sederhana. Kumparan N lilitan

Inti magnetik Permebilitas U

Besar fluks magnetik dalam inti Ф = B.A Dimana A = Luas penampang inti Adapun besarnya induktansi (L).

NΦ μo  N 2  A  ........................................................................ 2.3 i l/μ Dimana l = panjang inti L

2.

SIFAT BAHAN MAGNETIK Pemilihan bahan magnetik (ferromagnetik) menjadi penting, hal ini untuk : a. Untuk memperoleh rapat fluks yang besar dan gaya magnetisasi yang relative rendah. b. Mengurung dan mengarahkan medan magnetik dalam jalur yang telah ditentukan. c. Untuk menurunkan arus eksitasi (rugi-rugi inti).

Hampir semua transformator dan bagian tertentu mesin listrik menggunakan bahan berbentuk lempeng baja yang mempunyai arah magnetisasi yang sangat baik sepanjang mana kerugian dalam inti rendah dan permeabilitasnya tinggi. Bahan tersebut disebut grainorientied steel. Alasan mengenai sifat ini terletak pada struktur atomic kristal sederhana dari senyawa silikon-besi yang berupa kubus berpusat badan (body centere-cube).

Diktat Matakuliah transformator

4

Dengan teknik pembuatan sebagian rusuk kubus disearahkan dalam arah gulungan (rollingdirection) untuk menjadikannya arah magnetisasi yang menguntungkan. 3.

ARAH EKSITASI

Untuk menghasilkan medan magnet dalam inti, diperlukan adanya arus listrik dikumparan. Arus ini dikenal sebagai arus eksitasi, sifat magnetik teras yang tidak linier menandakan bahwa bentuk gelombang arus eksitasi tidak berbentuk sinusoidal. Kita asumsikan suatu variasi fluks inti Ф (t) yang berbentu k sinus, Ф(t) = Ф maka sin ωt ………………………..………..…………..2.4 = A.B maka sin ωt Dari hukum Faraday e = N dФ/dt maka e = ω N Ф maka cos ωt Emaks = ω N Фmaks = 2 π f N A B maks ......................................................................... 2.5 Tegangan rata-rata yang terindukksi ; Erms = = 2 π f N A B maks / √2 = 4,44 NAB maks .......................................... 2.6 Kurva arus eksitasi sebagai fungsi dari waktu dapat diperoleh secara grafis dari karakteristik magnetis yang terlukis pada gambar 2.99 dibawah ini. Karena B dan H dihubungkan dengan φ dan iφ oleh konstanta (tetapan) geometri yang diketahui maka lingkar histerisasi arus bolak-balik pada gambar 2.33 di gambarkan dalam φ = B A sedangkan iφ = H l / N. gelombang sinus dari teganganinduksi e dan fluks φ, diperlihatkan pada gambar 2.44.

Diktat Matakuliah transformator

5

Gambar 2.2 Gejala eksitasi (a) tegangan, fluks, arus eksitasi (b) lingkar histerisasi Pada setiap saat, nilai Iφ yang berhubungan dengan nillai fluks yang telah ditentukan dapat diperoleh secara langsung dari lingkar histerisis. Misalnya pada saat t’ fluksnya adalah φ’ dan arusnya i’’ φ. Pada saat t’’ nilai fluksnya φ’’ dan arusnya i’’φ. Perhatikan, karena lingkar histerisis mempunyai lingkar ganda, agar nilai fluks yang bertambah (φ’) diambil dari bagian fluks yang bertambah pula pada lingkaran histerisis. Karakterisik dari eksitasi arus bolak-balik bahan teras pada umumnya dinyatakan dalam voltamper, rata-rata dari pada dinyatakan dalam bentuk kurva magnetisasi yang berhubungan dengan B dan H. Voltamper eksitasi pada suatu frekuensi f tertentu hanya tergantung dari Bmaks karena Hrms adalah fungsi dari Bmaks dan tidak tergantung dari jumlah lilitan. Sebagai contoh uji laboratorium terhadap bahan uji teras terturup, diperlihatkan dalam gambar berikut ini.

Diktat Matakuliah transformator

6

Gambar 2.3 Voltamperrms per kilogram pada 60 Hz untuk baja garis oriented M-5, tebal 0,012 in. Arus pusar kerangka magnetik biasanya terdiri dari bahan magnetik yang berbentuk lempengan (lembaran) tipis laminasi. Laminasi tersebut yang diarahkan dalam arah garis medan, diisolasikan lempengan satu dengan lainnya. Lapisan isolator ini mengurangi (menghalangi) jalan arus pusar, semakin tipis isolasi semakin rendah kerugian. 4. KERUGIAN HISTERISIS Suatu eksitasi yang berubah terhadap waktu akan menyebabkan bahan magnetik mengalami variasi siklis semacam lingkar histerisis. Energi yang masuk ke inti magnetik untuk satu siklus

W  Al  H dB ................................................................................... 2.7 Dimana Al = volume inti ∫ (integer) = sebagai luas lingkaran histerisis.

Energi ini diperlukan untuk memutar dipole magnetik dalam bahan dan hilang dalm bentuk kalor. Jadi kerugian karena histerisis berbanding lurus dengan luar lingkar hiterisis untuk tingkat fluks tertentu dan berbanding lurus pula dengan volume total bahan.

Diktat Matakuliah transformator

7

BAB II PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR 2.1.

KONSTRUKSI TRANSFORMATOR Konstruksi transformator secara umum terdiri atas : -

Inti yang terbuat dari lembaran plat besi lunak atau baja silikon yang diklem menjadi satu.

-

Belitan dibuat dari tembaga yang membelitkan pada inti dapat konsentris maupun spiral.

-

System pendinginan transformator yang berkapasitas kecil dan system satu phasa menggunakan udara terbuka, untuk transformator yang berkapasitas besar system pendinginan dengan menggunkan minyak trafo.

2.2. JENIS TRANSFORMATOR BERDASARKAN LETAK KUMPARAN Konstruksi berdasarkan letak kumparan terhadap inti : -

Core type (jenis inti) yakni kumparan mengelilingi inti

-

Shell type (jenis cangkang), yaitu inti mengelilingi belitan. 2.2.1. Shell Type (inti melingkari belitan), digunakan pada daya dan tegangan rendah (0-240 V)

2.2.2. Core Type (lilitan melingkari inti), digunakan pada daya dan tegangan tinggi

Diktat Matakuliah transformator

Konstruksi berdasarkan bentuk inti trafo bentuk inti trafo ini ada tiga macam yaitu bentuk L, E ,dan F

2.3. PENDINGINAN TRAFO PENYEBAB PANAS PADA TRAFO Rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga pada inti besi PENANGANAN Trafo dilengkapi dengan sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar trafo. MEDIA PENDINGIN 1. Udara / gas. 2. Minyak. 3. Minyak dan air ONAN : Oil Natural Air Natural ONAF : Oil Natural Air Fan Pengaliran pendingin trafo dapat dilakukan dengan cara

•

•

Alamiah (natural)

•

Tekanan (forced)

MINYAK TRAFO Dalam penggunaannya minyak trafo dipakai untuk merendam trafo baik kumparan maupun intinya, karena minyak trafo ini berfungsi sebagai

8

Diktat Matakuliah transformator

9

media pemindah panas dan (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi). Minyak trafo ini biasanya terbuat dari minyak nabati. Syarat minyak trafo yang baik •

Kekuatan isolasi tinggi

•

Penyalur panas yang baik dan berat jenis kecil, sehingga partikelpartikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat.

•

Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan punya kemampuan pendinginan lebih baik

•

Titik nyala tinggi, tidak mudah menguap

•

Tidak merusak bahan isolasi padat

•

Sifat kimia stabil

2.4. PRINSIP KERJA TRANSFORMATOR Transformator adalah suatu alat untuk memindahkan daya listrik dari suatu rangkaian ke rangkaian lainnya secara induksi elektromagnetik. Berikut ini ditampilkan bagian terpenting dari transformator.

Gambar 2.4 Bagian Terpenting Transformator. Prinsip kerja transformator terdapat dua macam keadaan, yaitu : 2.3.1. KEADAAN TRANSFORMATOR TANPA BEBAN Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan sumber (yang sinusoid) maka akan mengalir arus bolak-balik (Io) pada kumparan

Diktat Matakuliah transformator

10

tersebut. Oleh karena kumparan punya inti, arus (Io) menimbulkan fluks magnit yang juga berubah-ubah pada intinya. t    m sin t ................................................................................. 2.8

Akibat adanya fluks magnet yang berubah-ubah, pada kumparan akan timbul gaya gerak listrikm (ggl) induksi. Besarnya ggl induksi yang dibangkitkan sesuai dengan hukum Faraday, adalah : d dt d m sin t e1   N1 dt e1   N1 m cos t ........................................................................... 2.9 e1   N1

e1   N1 m sin st  90

Dimana : e1 = ggl induksi pada kumparan primer N1 = jumlah lilitan kumparan primer dΦ = perubahan garis-garis gaya magnit dalam satuan weber (1 8 weber =10 maxwell). dt = perubahan waktu dalam satuan detik. Dari persamaan diatas dapat dibuktikan bahwa, fluks magnet fungsi sinus akan menimbulkan ggl induksi fungsi sinus pula. Gaya gerak listrik induksi akan ketinggalan 90o terhadap fluks magnit. Tegangan maksimum pada kumparan primer adalah emaks = N1 wФm dan tegangan efektifnya adalah :

E1rms 

emax N1 m 2fN1 m    4,44 fN1 m .............................. 2.10 2 2 2 Fluks magnetik yang menginduksikan ggl induksi e1 juga dialami oleh

kumparan sekunder karena merupakan fluks bersama (mutual fluks). Dengan demikian fluks tersebut menginduksikanggl induksi e2 pada kumparan sekunder.

Diktat Matakuliah transformator

11

Besarnya ggl induksi pada kumparan sekunder adalah : d dt Cara yang sama di dapat E2 = 4,44 f N2 Фm .................................... 2.11 e2   N 2

Diman N2 = Jumlah lilitan kumparan sekunder. Dari persamaan diatas didapat perbandingan lilitan berdasarkan perbandingan ggl induksi, yaitu : E N a  1  1 ..................................................................................... 2.12 E2 N 2 a = nilai perbandingan transformasi Apabila a < 1, atau E1 < E2 maka transformator berfungsi menaikkan tegangan. Apabila a > 1, atau E1 > E2 maka transformator berfungsi menurunkan tegangan.

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

Impedansi Eksitasi Arus primer Io yang mengalir pada saat kumparan tidak dibebani, disebut arus penguat (eksitasi). Untuk tujuan praktis Io sebanding dengan Фm dan dengan E1 sehingga dapat ditulis. IO 

 E1  E1YO ............................................................................... 2.13 ZO

Dimana

Zo = impedansi eksitasi dalam Ohm (Ω) Yo = admitansi eksitasi dalam Mho.

Dalam notasi komplek dapat ditulis ZO  Rc  jX m dan Yo  Gc  jBm IO 

Bila

E1 E1   dan I O  E1YO   E1 Gc  jBm  Z O Rc  jX m

Diktat Matakuliah transformator

Z O  Rc  jX m dan

12

1 1  Yo Gc  jBm

Maka akan didapat 2

Gc 

Rc G Mho dan Bm  2 c 2 Mho .............................. 2.14 2 2 Rc  X m Rc  X m

Besarnya Io = Ic + j Im

Io X1

R1 V1

Io Rc

E1

Xm

IoX1

IoR1

Im

-E1

E1

V1

Gambar 2.5 Rangkaian transformator tanpa beban

2.3.2. KEADAAN TRANSFORMATOR BERBEBAN Bila sisi sekunder dihubungkan dengan suatu beban dengan impedansi Z= R+jX, maka pada kumparan sekunder akan mengalir arus sebesar I2. Rumus I2 

E2 .............................................................. 2.15 R2  R   j  X 2  X 

Arus I2 ini akan berbeda fasa dengan sudut φ2 yang besarnya : X X ................................................................................. 2.16 Tg 2  2 R2  R Lihat gambar 2.6 dibawah ini ;

Diktat Matakuliah transformator

R1

13 R1

X1 I1

I2 Rc

V1

X1

Beban R

Xm X

Gambar 2.6 Transformator berbeban. Pengaruh induksi I2 ialah demagnetisasi dari fluks yang dibangkitkan oleh arus primer I1. tetapi yang dibangkitkan oleh ggm (lilitan amper) untuk membangkitkan emf E1 maupun E2 praktis tetap. Dengan demikian dengan adanya arus sekunder secara otomatis aus primer akan naik, sedemikian hingga resultante ggm (lilitan amper) sisi ekunder I2N2 dengan ggm eksitasi IoN1 yang dibangkitkan adalah merupakan ggm sisi primer N1I1. Tegangan masukan pada sisi primer V1 adalah hasil kali penjumlahan komponen : 1. Ggl –E1, sama dan berlawanan dengan ggl E1 yang diinduksikan oleh lilitan primer oleh : a. Jatuh tegangan pada I1R1, karena adanya tahanan pada lilitan primer. b. Jatuh tegangan pada I1X1, karena adanya magnetisasi bocor pada lilitan primer. Sedangkan tegangan keluaran pada sisi sekunder V2adalah selisih dari 2. Ggl E2 yaitu tegangan yang dibangkitkan pada lilitan sekunder dikurangi dengan : a. Jatuh tegangan pada I2R2, karena kawat pada belitan sekunder. b. Jatuh tegangan pada I2X2, karena adanya magnetisasi bocor pada lilitan sekunder.

Diktat Matakuliah transformator

14

Om I1

I1R1 I1X1

-I2

Io

Im E1

E1

-E1 I1

V1

E2 I2X2

I2(R)

I2X

I2R2

Gambar 2.7 Vektor Transformator Berbeban. 3.

RANGKAIAN EKIVALEN Karena tidak seluruh fluks (Ф) yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im

merupakan fluks bersama, sebagian darinya hanya mencakup kumparan primer (Ф1) atau kumparan sekunder (Ф2). Addanya fluks bocor Ф1 dan Ф2 ditunjukkan sebagai reaktansi X1 dan X2. sedangkan rugi-rugi tahanan (kawat) ditunjukkan dengan R1 dan R2 . Pada gambar diatas dalam penggambaran tidak memperlihatkan besaranbesaran sesungguhnya, karena pada umumnya perbandingan transformasi (a) adalah besar, sehingga ggl E1 dan E2 sangat berbeda hal ini berakibat sukar menggambarkan dalam satu diagram dengan satu skala, demikian pula dengan I1 dan I2. N1Io pada umumnya sangat kecil dibandingkan dengan I1N1 dan I2N2 dengan demikian secara pendekatan.

N1I1  I 2 N 2 atau I1 

N2 I 2  atau I1   1  I 2 .............................. 2.17 N1 a

Dari persamaan sebelumnya E1 dan E2 dengan demikian E1I1 = a E2 (a/1) = E2I2. Dari persamaan diatas dapat dinyatakan volt ampere (VA) yang diberikan pada sisi primer sama dengan voltamper yang dibangkitkan pada sisi sekunder.

Persamaan pada sisi sekunder dengan beban Z = R+jX

E2  I 2 R2  jX 2  R  jX  .............................................................. 2.18 Persamaan pada sisi primer

Diktat Matakuliah transformator

15

V1  E1  I1 R1  jX 1  ........................................................................ 2.19 Bila E1 = a E2 aI 2 R2  jX 2  R  jX  Karena I2 = a I1 maka persamaan diatas menjadi E1  a 2 I 2 R2  R  j  X 2  X  Bila harga E1 disubstitusikan kepersamaan primer akan didapat V1  E1  I1 R1  jX 1  a 2 I1R2  R  j  X 2  X   I1 R1  jX 1 





V1  a 2 R2  a 2 R  j a 2 X 2  a 2 X  R1  jX 1 .................................... 2.20 I1

Persamaan diatas mengandung pengertian bahwa parameter rangkaian sekunder dinyatakan dalam harga primer, harganya perlu dikalikan a2. V1  Impedansi ekuivalen I1

a2R2 = R2’ merupakan tahanan sekunder dinyatakan pada sisi primer a2X2 = X2’ merupakan reaktansi sekunder dinyatakan pada sisi primer a2R = R’ merupakan tahanan beban sisi sekunder dinyatakan pada sisi primer a2X = X’ merupakan reaktansi beban sisi sekunder dinyatakan pada sisi primer R1

a2R2

X1 Io

I1

V1

E1= aE2

Rc

a2X2

I2/a

Xm

B E a2Z B A N

aV2

Gambar 2.8 Rangkaian Ekuivalen Transformator V1  a 2 I1R2  R   j  X 2  X   I1 R1  jX 1  V1  a 2 I1 R  jX   a 2 I1 R2  jX 2   I1 R1  jX 1 

Diktat Matakuliah transformator

16

V1  V2  a 2 I1R2  ja 2 I1 X 2  I1R1  jI1 X1

atau dapat disederhanakan menjadi







V1  V2  I1 a 2 R2  R1  jI1 a 2 X 2  X1 '



a 2 I1 R  jX   V2' merupakan jatuh tegangan pada beban atau tegangan ekuivalen sisi sekunder transformator.

4.

DIAGRAM VECTOR TRANSFORMATOR BERBEBAN a. Beban tahanan murni Didalam kumparan sekunder terdapat R2 dan X2, bila dihubungkan

dengan tahanan murni R, maka akan mengalir arus sekunder I2. arus ini akan berbeda fasa sebesar φ2 terhadap E2, akibat adanya reaktansi pada kumparan sekunder (X2). R2 I1

V1

X2 I2

E1

V2

R

Gambar 2.9 Transformator Berbeban Tahanan Murni. Persamaan yang didapat V2  E1  I 2 R2  jX 2  R  atau V2  E1  I 2 R2  R  jX 2  ........ 2.21 Tan 2 

X2 ............................................................................... 2.22 R2  R

Untuk melukiskan diagram vektor diambil E2 sebagai dasarnya, atau menggunakan nilai E1 = a E2.

Diktat Matakuliah transformator

17

Om I1

I1R1

-I2

Io

Im E1

I1X1

E2

-E1 I2

V1

I2X2 I2(R2+R)

Gambar ...