Post on 18-Dec-2014
description
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 1
Universitas Mercu Buana
Fakultas Teknologi Industri
Jurusan Teknik Mesin
TTL dan Elektronika
Industri
Modul 4
Transformator dan Sistim Distribusi daya
Bagian II
Oleh:
Nacep Suryana, MSc.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 2
3.3.3. Polaritas Transformator
Transformator dapat membalik fase tegangan input dengan lilitan kumparan sekunder
pada arah yang berlawanan dari kumparan primer. Gambar 3-15 menggambarkan metoda yang
digunakan untuk mengidentifikasi hubungan fase input dan output transformator relative dalam
diagram skema. Perlu dicatat bahwa apabila skema tidak berisi titik, maka tidak terjadi
pembalikan fase.
Gambar 3-15 Pembalikan fase transformator
Polaritas transformator dapat diperlihatkan dengan cara member tanda titik pada
terminal primer dan sekunder. Jenis penandaan ini digunakan pada transformator instrument
(bukan trafo daya). Meskipun demikian pada transformator daya ujung-ujung kumparan
tegangan tinggi diberi tanda H1 dan H2, dan ujung-ujung kumparan tegangan rendah diberi
tanda X1 dan X2 (gambar 3-16). Dengan konvensi, H1 dan X1 mempunyai ualitas yang sama,
yang berarti ketika H1 positif maka X1 juga positif. Penandaan ini digunakan untuk menetapkan
hubungan terminal yang benar ketika transformator 1-fase dihubungkan parallel, seri atau
konfigurasi 3-fase.
Gambar 3-16. Pemberian tanda pada terminal transformator
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 3
Dalam praktek empat terminal pada transformator dipasang dengan baku (standar)
sehingga transformator mempunyai polaritas aditif atau substraktif. Jika terminal H1 terletak
berseberangan secara diagonal dengan terminal X1 maka disebut polaritas Aditif. Jika terminal
H1 berdekatan dengan X1 maka disebut polaritas substraktif. Gambar 3-17.
Gambar 3-17. Polaritas aditif dan substraktif.
3.3.4. Jenis dan Batas kerja Transformator
Banyak jenis transformator digunakan pada rangkaian industry. Pada kebanyakan hal
transformator tersebut diklasifikasi menurut pemakaiannya. Sayangnya standar (pembakuan)
agak berbeda dan beberapa istilah berikut kemungkinan saling tukar.
Transformator daya ini biasanya menunjuk pada transformator yang lebih besar yang
digunakan untuk merubah level tegangan dan arus untuk memenuhi persyaratan rangkaian.
Sebagian besar transformator daya dirancang untuk operasi pada frequensi lin ac 50sampai
dengan 60 Hz. Dua jenis transformator yang diperlihatkan pada gambar 3-18 dan 3-19.
Transformator suplai daya pada gambar 3-18 digunakan untuk merubah tegangan lin ac
menjadi tegangan lain yang lebih cocok. Transformator distribusi yang didinginkan minyak pada
gambar 3-19 digunakan untuk menurunkan tegangan system pemakaian menjadi tegangan
standar industri.
Gambar 3-18 transformator penyuplai daya untuk merubah tegangan lin ac menjadi
tegangan lainnya yang lebih cocok.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 4
Gambar 3-19 transformator distribusi yang didinginkan minyak di gunakan untuk
menurunkan tegangan system
Transformator instrument.
Transformator tersebut kecil, digunakan bersama dengan instrument pengujian dan
pengukuran. Transformator tegangan (Gambar 3-20) digunakan untuk menurunkan tegangan
system pada tegangan kerja dari instrument. Transformator arus (Gambar 3-21) mensuplai
instrument dengan arus yang kecil yaitu sebanding dengan arus utama. Transformator arus
juga digunakan sehubungan dengan arus lebih yang besar dan peralatan beban lebih.
Tegangan yang sangat tinggi dapat mengakibatkan kejutan listrik yang fatal, dapat bertambah
pada kumparan sekunder jika membuka. Karena alasan itu, ujung-ujung sekunder harus selalu
dihubungkan dengan ammeter atau membiarkan hubungan singkat jika meter dilepas.
Gamabar 3-20 transformator tegangan yang digunakan untuk menurunkan tegangan
system pada tegangan kerja instrumen
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 5
Gambar 3-21 transformator arus
Ototransformator.
Transformator ini mempunyai tap (ambilan) tunggal dari kumparan yang bersama
(common) dengan rangakaian primer dan skunder. Utamanya transformator ini digunakan
dimana diperlukan kenaikan atau penurunan tegangan kecil. Ototransformator adalah:
Transformator yang digunakan pada line distribusi jauh untuk mendorong tegangan
dan mengkompensasi penurunan tegangan line.
Dapat mengatur tegangan yang bervariasi
Digunakan pada starter motor tiga-fase yang besar untuk mengurangi arus dan torsi
selama periode starting motor
Ototransformator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3-32 digunakan jika
dikehendaki. Apabila tidak perlu mempunyai isolasi listrik antara rangkaian primer dan
sekunder, dan apabila hubungan langsung antara mereka diperbolehkan. Ototransformator
menawarkan ukuran yang lebih kecil, lebih ringan dan lebih murah.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 6
Gambar 3-22 Ototransformator
Rating plat nama transformator (yang umum) adalah sbb:
kVA : ini adalah batas kerja dalam kilovolt ampere dan voltampere dibanding kilowatt. Karena
factor daya beban menentukan output transformator dalam kilowatt, dan factor daya
beban bervariasi, maka tidak praktis untuk membuat ukuran kerja trasformator dalam
kilowatt.
PF: Faktor daya adalah perbandingan daya yang sebenarnya dengan daya buta.
PF =
H.V.: adalah batas kerja dari kumparan tegangan tinggi. Jika arus primer, itu adalah pada
tegangan maksimum diberikan. Jika ini adalah sekunder, itu adalah tegangan output
pada beban penuh.
L.V.: adalah batas kerja lilitan tegangan rendah. Jika ini adalah rangkaian primer, ini adalah
pada tegangan maksimum yang disuplaikan. Jika ini adalah sekunder, maka ini adalah
tegangan output pada beban penuh.
Siklus: adalah batas kerja frekwensi dlm Hz.
Polaritas: Apakah transformator itu aditif atau substraktif
%Z : adalah impedansi transformator yg dinyatakan dalam persen dari impedansi rangkaian
total. Impedansi (Z) adalah komposisi total dari arus yang mengalir pada tahanan R,
reaktansi induktif (XL), dan juga reaktansi kapasitif (XC) rangkaian AC.
Kenaikan oC: adalah kenaikan suhu diatas suhu kamar dengan transformator dibebani penuh.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 7
Efisiensi peralatan mekanis atau listrik biasa dinyatakan sebagai perbandingan daya output
dengan daya input
= % efisiensi
Atau dapat juga dinyatakan sbb: Daya Input = Daya Output + Daya rugi-rugi
Karena rugi-rugi transformator daya sangat rendah, efisiensi sebagian besar
transformator mendekati 97%. Kerugian utama yang mempengaruhi efisiensi transformator
adalah kerugian tembaga dan inti, kerugian ini keluar sebagai panas. Kawat kumparan yang
dibuat harus cukup besar untuk mengalirkan arus dan juga isolasinya harus dapat tahan
terhadap tegangan yang bekerja.
3.3. Hubungan dan Sistim Transformator
3.3.1. Sistim Transformator Fase Tunggal
Transformator seperti halnya batere dan sumber daya yang lain, dapat dihubungkan seri
atau parallel. Ketika transformator digabungkan bersama untuk beroperasi atau menahan
beban, persyaratan-persyaratan berikut perlu diikuti:
Tegangan kerja (rating) harus sama.
Rasio impedansi (% impedansi) harus sama.
Polaritas harus ditentukan dari hubungan dibuat sesuai.
Transformator jarang dihubungkan seri. Meskipun demikian, apabila dihubungkan seri,
arus kerja atau rating harus cukup besar untuk membawa arus maksimum beban. untuk operasi
yang paling efisien arus kerjanya harus sama. Gambar 3-23 menunjukkan contoh (yang umum)
dari dua transformator satu-fase yang dihubungkan seri.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 8
Gambar 3-23 Hubungan seri dari transformator
Kerja parallel transformator mengakibatkan peningkatan rating kilovolt-ampere. Apabila
tambahan beban dipasang pada rangkaian, kadang-kadang lebih praktis menghubungkan
transformator yang lain secara parallel dibandingkan dengan mengubah penguatannya. Jumlah
transformator yang dihubungkan parallel akan membawa dua kali rating kilowattampere dari
transformator yang lain. Gambar 3-24 menunjukkan contoh yang umum dari dua transformator
fase-tunggal yang dihubungkan parallel. Yang perlu diperhatikan adalah bahwa terminal-
terminal yang mempunyai polaritas sama harus dihubungkan. Kesalahan dalam polaritas
menghasilakan hubungan-pendek (konslet).
Gambar 3-24 Transformator hubungan parallel
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 9
Ada dua jenis distribusi fase tunggal:
- Distribusi satu-fase dua-kawat
- Distribusi satu-fase tiga-kawat
Satu-fase dua-kawat terdiri dari kawat beraliran (hot) dan netral, satu-fase tiga-kawat terdiri dari
dua kawat beraliran (hot) dan netral. Satu-fase tiga-kawat 240/120 adalah jenis distribusi yang
digunakan untuk mengisi rumah-rumah, dan dapat dihubungkan antar kawat beraliran atau dari
kawat beraliran ke netral. Kawat netral adalah penghantar yang dihubungkan dengan
pertengahan sekunder transformator. Dua kawat beraliran tersebut berbeda 180o listrik.
Gambar 3-25 menunjukkan transformator distribusi dua tegangan yang dihubungkan
dengan satu-fase tiga-kawat dan satu-fase dua-kawat. Seperti telah dijelaskan, sistim tiga-
kawat digunakan pada pengawatan rumah. Ini memperlengkapi 120 V untuk penerangan dan
alat-alat mesin kecil, dan 240 V untuk beban berat seperti pemanas listrik dan pengering, lihat
gambar 2-25 a. Untuk kepentingan keselamatan konduktor tengah (yang disebut netral) di-
grounding. Hal ini memungkinkan tegangan maksimum dari line ke tanah sebesar 120V.Jika
pentanahan terjadi pada line satu line dua pada system kawat tanah,240V akan ada dari kedua
line ke tanah
Sistem bawah-tanah menghendaki dua pentanahan untuk membuka rangkaian.Gambar 3-
25(b)menunjukan transformator distribusi hanya memberikan 100 V.Tegangan output yg
diberikan hanya 120V, tetapi ukuran-daya kerja transformator tetap tidak berubah.
Gambar 3-25 distribusi satu-fase
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 10
Contoh:
Transformator 50 kVA seperti yang diperlihatkan dibawah mempunyai beban tahanan
seimbang, ada beban 50-A dari L1 dan L2 ke netral. Ada juga 150-A beban antara L1 dan L2
harga arus seperti diperlihatkan dengan anak panah.
(a) Berapakah arus total pada ketiga line?
(b) Berapakah arus primer (rugi-rugi diabaikan)?
(c) Berapakah beban transformator dalam kilovolt-ampere?
(d) Berapak persentase beban transformator?
Contoh:
Diagram yang ditunjukkan sama dengan transformator 50 kVA dengan beban tahanan tidak
seimbang.
Beban dari L1 ke netral adalah 100 A, dari L2 ke netral adalah 50 A dan dari L1 ke L2
adalah 100 A. Harga-harga arus seperti diperlihatkan anak panah.
(a). Berapakah arus total pada ketiga line?
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 11
(b). Berapakah beban total dalam kilovolt-ampere?
(c). Berapakah arus primer?
(d). Berapakah prosentasi beban dari transformator?
3.3.2. Sistim Transformator tiga-fase
Daya dengan jumlah yg besar dibangkitkan mengunakan system tiga-fase.Tegangan
akan dibangkitkan dan diturunkan beberapa kali sebelum tegangan mencapai beban pada
rumah atau pabrik.Transformasi dapat disempurnakan dengan mengunakan transformator
hubungan bintang atau delta atau kombinasi dari keduanya bersama-sama dengan rasio
tegangan trasformator yg membedakan.Transformator tiga-fase,mempuyai tiga kumparan
primer dan tiga kumparan sekunder yg dipasang pada tiga kaki inti.Meskipun demikian akibat
yg sama dapat dicapai dg mengunakan tiga transformator satu fase yg dihubungkan bersama
untuk membentuk transformator tiga-fase bank.perlu untuk menyeimbangkan beban pada
transformator bank shg setiap satu transformator tidak akan dibebani lebih.
Gambar 3-26 Hubungan tiga-fase tiga-kawat delta
Kedua jenis distribusi tiga-fase yg umum digunakan adalah tiga fase tiga kawat dan tiga-
fase empat kawat.Sistem tiga-fase tiga-kawat hubungan delta(Gambar 3-26) digunakan untuk
beban setimbang dan terdiri atas tiga kumparan transformator yg dihubungkan dari ujung ke
ujung.Tiga kumparan tersebut dihubungkan dalam hubungan delta dan fase-fase berbeda 120
derajat listrik satu sama lain.Tegangan fase ke fase sama dengan tegangan kumparan..Dua
tegangan yg paling umum digunakan di Industri adalah 208 V (US) atau 380 V (Indonesia) dan
600 V tiga-fase tiga-kawat. Output arus dari transformator tiga-fase tiga-kawat khususnya delta
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 12
adalah arus kumparan dikalikan 1.73 yang akan memberikan kepada anda arus line. Angka
1.73 adalah akar 3 digunakan karena kumparan berbeda 120o listrik satu sama lain.
Distribusi tiga-fase lain yang umum digunakan adalah tiga-fase empat-kawat. Ada dua
jenis distribusi tiga-fase empat-kawat:
- Tiga-fase empat-kawat bintang
- Tiga-fase empat-kawat delta
Sistim tiga-fase empat-kawat bintang (gambar 3-27) mempunyai beda fase yang dihubungkan
pada titik bersama, yang disebut netral.Karena itu tidak satupun kumparan terpengaruh oleh
kumparan yang lain. Oleh karena itu, sistim tiga-fase empat-kawat bintang digunakan untuk
beban tidak seimbang. Fase-fase berbeda 120o listrik satu sama lain, fase-fase mempunyai titik
bersama, sehingga tegangan dari fase ke fase adalah sama dengan tegangan dari fase ke
netral dikalikan 1.73. Arus line sama dengan arus fase. Dua tegangan yang paling umum
digunakan adalah tiga-fase empat-kawat 120 V/208 V (USA) 220 V/380 V (Indonesia) dan tiga-
fase empat-kawat 347 V/600 V.
Gambar 3-27 Hubungan tiga-fase empat-kawat sambungan bintang
Transformator tiga-fase empat-kawat hubungan delta digunakan untuk mensuplai beban
penerangan satu-fase yang kecil dan beban daya tiga-fase pada waktu yang sama.
Transformator tersebut ukurannya sampai dengan 150 kVA dan dibuat didalam satu unit
seemikian rupa sehingga 5% kemampuan kilovolt-ampere dari transformator diambil dari tarikan
tengah (centre tap) dari kumparan satu-fase. Jadi kapasitas tiga-fase tersebut berkurang 25%.
Ada tiga tegangan yang dihasilkan dengan hubungan ini. Hubungan transformator yang
diperlihatkan pada gambar 3-28 adalah untuk hubungan 120/208/240 V tiga-fase empat-kawat
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 13
hubungan delta. 240 V tiga-fase diperoleh dari tiga-fase, 280 V satu-fase diperoleh dari fase A
ke tap netral dan 120 V satu fase diperoleh dari fase B atau C ke tap netral. Untuk
mendapatkan ketegangan fase A ke netral kalikan tegangan fase ke fase dengan 0.87 (cos
30):240x0.87 = 208 V.
Gambar 3-28 Hubungan tiga-fase empat-kawat sambungan delta
Gambar 3-29 menunjukkan susunan transformator step-down tiga-fase tiga-kawat
sambungan delta-delta. Tiga transformator satu fase tersebut mempunyai kumparan primer dan
sekunder dihubungkan delta. Jika primer mempunyai 2400 V dan rasio transformator 10:1,
tegangan sekunder dalam hubungannya dengan tegangan primer ditentukan hanya melalui
rasio, karena tegangan line dan fase hubungan delta adalah sama. Gambar 3-30 menunjukkan
diagram sambungan tiga-fase empat-kawat bintang-bintang yang biasanya digunakan untuk
mensuplai servis tiga-fase dan satu-fase. Transformator satu-fase dengan primer 2400 V, ketika
dihubungkan bintang pada susunan tiga-fase, memerlukan 4160 V line dan untuk memberikan
2400 volt fase.
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 14
Vph
=
= 2400 V.
Jika primer transformer mempunyai tegangan 2400 V dan rasio transformator 20, maka
tegangan sekundernya 120 V (USA), dan tegangan line akan sebesar 208 V (120x1.73) di
Indonesia (220x1.73 = 380V).
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 15
Gambar 3-29 susunan transformator tiga-fse tiga-kawat delta-delta
Gambar 3-30 Susunan transformator tiga-fase empat-kawat hubungan bintang-bintang
3-4. Substation (Gardu Induk)
Gardu induk mempunyai perlengkapan untuk merubah tegangan line dan mengaturnya
dengan menggunakan transformator. Gambar 3-31 menunjukkan diagram block transformator
yang mempunyai saklar pengaturan tegangan yang di-oprasikan secara elektronis untuk
mengatur tegangan. Saklar ambilan (SCR atau triac)untuk memilih secara tap (ambilan ) yang
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 16
tepat secara otomatis untuk megkompensasi fluktuasi. Tegangan di atur tidak tanpa-putus,
tetapi dengan langkah-langkah (in steps). Penghubungan terjadi ketika tegangan lin melalui nol
sehinga transien tidak terbentuk.
Gambar 3-31 saklar ambilan (switch tap) transformator
Jaringan (network) terdiri dari gardu induk, line tranmisi dan station yang membangkitkan
yang dihubungkan bersama. Jaringan memungkinkan kelebihan daya dari satu daerah yang
dialirkan ke daerah yang lain dalam merespons permintaan. Selama perioda permintaan daya
listrik menurun, station daya akan mematikan beberapa generator. Pada waktu permintaan
puncak, perlengkapan pembantu disiapkan untuk beroperasi. Gardu induk juga
memperlengkapi titik aman pada sistim distribusi untuk pemutusan daya jika ada kesalahan,
juga tempat yang tepat untuk melakukan pengukuran dan memeriksa kerja dari sistim distribusi.
Gardu-induk interkoneksi membantu menghubungkan bersama sistim-sistim dsitribusi
yang berbeda. Sistim ini memungkinkan pertukaran daya antara gardu induk untuk
meningkatkan daya, sehingga menstabilkan seluruh rangkaian. Gardu induk dilengkapi titik
pemutusan (switching point) dimana hubungan-hubungan yang lain dapat dibuat antar line
transmisi yang berbeda-beda. Gambar 3-32 menunjukkan dua gardu induk yang diinterkoneksi
menjadi satu jaringan.
Gambar 3-32 Substansi gardu induk
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 17
Gardu induk sekunder membentuk jantung jaringan distribusi listrik pabrik industry atau
bangunan komersial. Mereka menerima daya listrik dari utility listrik dan menurunkannya
menjadi level tegangan nominal 600 V atau lebih rendah untuk distribusi seluruh bangunan.
Gardu induk unit menawarkan switch-gear yang terkoordinasi dan terintegrasi serta paket
transformator, yang dirakit dan diuji oleh pabrik.
Diagram suatu gardu-induk unit diperlihatkan pada gambar 3-33. Gardu induk unit
seluruhnya tertutup untuk semua sisi dengan plat logam, sehingga tidak ada bagian beraliran
yang terlihat. Untuk masuk didalam tempatnya hanya disediakan melalui pintu interlocked (jika
pintu dibuka powernya otomatis hilang). Gardu induk unit dasar terdiri dari tiga komponen sbb:..
1. Bagian Switch-gear tegangan tinggi
Bagian ini menggabungkan terminasi untuk kabel input primer dan switch-gear
primer, semua ditempatkan pada satu kontak berlapisan metal.
Perakitan saklar dan sekering interuptor beban banyak digunakan untuk
switchgear primer.
Saklar interuptor beban dapat menginterupsi ars kerja yang terus-menerus,
umumnya 600 A atau 1200 A.
Perlindungan terhadap petir harus diberikan jika unit gardu induk disuplai dari
sistim distribusi udara (overhead).
2. Bagian Transformator
Bagian ini menempatkan transformator untuk menurunkan tegangan primer
sampai level pemakaian tegangan rendah.
Transformator enis kering, didinginkan dengan udara secara umum digunakan
sebab mereka tidak memerlukan persyaratan konstruksi tahan api yang khusus.
3. Bagian distribusi tegangan-rendah
Bagian switch board ini menyediakan perlindungan dan pengendali untuk
rangkaian pengisi tegangan rendah.
Terdiri atas saklar yang bias memutuskan dengan memakai sekering, memutus
rangkaian dengan kotak dicetak, pemutus rangkaian jenis daya drawout atau
kadang kombinasi.
Berisi alat ukur untuk pengukuran tegangan, arus, daya, power factor atau
energy..
PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Nacep Suryana, M.Sc. TTL DAN ELEKTRONIKA INDUSTRII 18
Switch-gear sekunder dimaksudkan untuk memutuskan daya (trip) pada keadaan
beban lebih atau kesalahan pada pengisian rangkaian sekunder dari
transformator.
Gambar 3-33 Unit substation sekunder