BAB II

Transformator

Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

2.1 Prinsip Kerja Transformator

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal balik (mutual inductance).

Pada skema transformator di samping, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

 Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan:

Vp = tegangan primer (volt) Vs = tegangan sekunder (volt) Np = jumlah lilitan primer Ns = jumlah lilitan sekunder Simbol Transformator

Kerugian dalam transformator

Perhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan tidak ada

kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu:

1. kerugian tembaga. Kerugian   dalam lilitan tembaga yang disebabkan

oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.

2. Kerugian kopling. Kerugian yang terjadi karena kopling primer-sekunder tidak

sempurna, sehingga tidak semua fluks magnet yang diinduksikan primer memotong

lilitan sekunder. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggulung lilitan secara

berlapis-lapis antara primer dan sekunder.

3. Kerugian kapasitas liar. Kerugian yang disebabkan oleh kapasitas liar yang terdapat

pada lilitan-lilitan transformator. Kerugian ini sangat memengaruhi efisiensi

transformator untuk frekuensi tinggi. Kerugian ini dapat dikurangi dengan

menggulung lilitan primer dan sekunder secara semi-acak (bank winding)

4. Kerugian histeresis. Kerugian yang terjadi ketika arus primer AC berbalik arah.

Disebabkan karena inti transformator tidak dapat mengubah arah fluks magnetnya

dengan seketika. Kerugian ini dapat dikurangi dengan menggunakan material

inti reluktansi rendah.

5. Kerugian efek kulit. Sebagaimana konduktor lain yang dialiri arus bolak-balik, arus

cenderung untuk mengalir pada permukaan konduktor. Hal ini memperbesar kerugian

kapasitas dan juga menambah resistansi relatif lilitan. Kerugian ini dapat dikurang

dengan menggunakan kawat Litz, yaitu kawat yang terdiri dari beberapa kawat kecil

yang saling terisolasi. Untuk frekuensi radio digunakan kawat geronggong atau

lembaran tipis tembaga sebagai ganti kawat biasa.

6. Kerugian arus eddy (arus olak). Kerugian yang disebabkan oleh GGL masukan yang

menimbulkan arus dalam inti magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang

membangkitkan GGL. Karena adanya fluks magnet yang berubah-ubah, terjadi olakan

fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapis-

lapis.

2.3 Jenis Tansformator

2.3.1 Jenis trafo berdasarkan kegunaannya

1. Trafo tenagaa. Trafo penaik tegangan (step up)Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

 b. Trafo penurun tegangan (step down)Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

2. Trafo pengukurana. Trafo teganganTrafo tegangan adalah trafo satu fasa step-down yang mentransformasi tegangan tinggi atau tegangan menengah ke suatu tegangan rendah yang layak untuk perlengkapan indikator, alatukur, relay, dan alat sinkronisasi  serta berfungsi untuk merubah tegangan tinggi menjadi tegangan rendah sehingga dapat diukur dengan Volt meter.. Hal ini dilakukan atas pertimbangan harga dan bahaya yang dapat ditimbulkan tegangan tinggi. Tegangan perlengkapan seperti indikator, meter, dan relay dirancang sama dengan tegangan terminal sekunder trafo tegangan.

b. Trafo arustrafo arus igunakan untuk pengukuran arus yang besarnya ratusan amper dari arus yang mengalir dalam jaringan tegangan tinggi. Disamping untuk penguran arus, trafo arus jugadigunakan untuk pengukuran daya dan energi, pengukuran jarak jauh dan relay proteksi. Kumparan primer trafo arus dihubungkan seri dengan jaringan atau peralatan yang akan diukur arusnya, sedang kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau relay proteksi. Pada umumnya peralatan ukur dan relay membutuhkan arus 1 atau 5

2.3.2 Jenis trafo berdasarkan letak kumparan1. Core type (jenis inti) yakni kumparan mengelilingi inti.2. Shell type (jenis cangkang) yakni inti mengelilingi belitan

2.3.4 Trafo berdasarkan tenaganya

a.  Trafo distribusi : trafo 150/20 kV dan 70/20 kV.b.  Interbus Transformator (IBT) : trafo 500/150 kV dan 150/70 kV.

2.3.5 Jenis trafo berdasarkan lilitannya 1. Autotransformator

Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder.Selain itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).

      2. Autotransformator variabel 

Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.

  3. Transformator isolasi

Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapanaudio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor.

4.      Current TransformerCurrent transformer sebenarnya adalah suatu toroida. Lilitan primer dari suatu current transformer biasanya berupa suatu bushing stem atau satu kabel yang berasal dari suatu alat objek yang hendak di-indera oleh current transformer, lalu sisi lilitan sekunder diumpankan pada satu ampermeter atau digunakan untuk keperluan proteksi.

     5.      Transformator tiga faseTransformator tiga fase sebenarnya adalah tiga transformator yang dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara delta (Δ).

Trafo berdasarkan frekuensi kerjanya.:

1. Trafo daya dengan frekuensi kerja 50 Hz2. Trafo pendengaran dengan frekuensi kerja 20Hz – 20 KHz3. Trafo MF dengan frekuensi 455 KHz4. Trafo RF drengan frekuensi > 455KHZ

Transformator pulsaTransformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

2.2 Isolasi Transformator

2.2.1 Isolasi MinyakSebagian besar trafo tenaga kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak-trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (disirkulasi) dan bersifat pula sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi) sehingga berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi.

Jenis minyak trafo

Minyak trafo mineral: Minyak yang berbahan dasar dari pengolahan minyak bumi yaitu antara fraksi minyak diesel dan turbin yang mempunyai struktur kimia yang sangat kompleks. 

Minyak trafo sintetis (askarel): Minyak jenis ini mempunyai sifat lebih menguntungkan antara lain tidak mudah terbakar dan tidak mudah teroksidasi. Namun beracun dan dapat melukai kulit.

Minyak Mineral Minyak Sintetis

Diala C, B (USA)

Univolt (Esso)

Nynas (Swedia)

Mictrans (Jepang)

Sun Ohm-MU (Korea)

Petromin (Dubai)

Aroclor (USA)

Clopen (Jerman)

Phenoclor (Perancis)

Pyroclor (UK)

Fenclor (Itali)

Pyralene (Perancis)

BP-Energol (UK) Pyranol (USA)

Persyaratan Minyak Sebagai isolasi 

viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik

Bebas asam untuk mencegah karat dari tembaga dan kerusakan pada isolasi belitan

Tidak bersifat korosif

Tahan terhadap oksidasi

Mempunyai kekuatan dielektrik (tegangan tembus) yang tinggi 

Tidak mengandung sedimen 

kekuatan isolasi tinggi

penyalur panas yang baik berat jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel dalam minyak dapat mengendap dengan cepat

titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan untuk mencegah terjadinya kebakaran 

tidak merusak bahan isolasi padat

sifat kimia yang Stabil.

Pengujian tegangan tembus oli dimaksudkan untuk mengetahui kemampuan dielektrik oli. Hal ini dilakukan karena selain berfungsi sebagai pendingin dari trafo, oli juga berfungsi sebagai isolasi. Persyaratan yang ditentukan adalah sesuai dengan standard SPLN 49 - 1 : 1982, IEC 158 dan IEC 296

2.2.2 Isolasi Padat

Untuk trafo daya, bahan isolasi yang biasa dipakai adalah kertas Kraft (kertas isolasi selulosa). Sekarang juga mulai banyak bahan kertas sintetik yang dipakai, yang bisa beroperasi pada temperatur kerja tinggi (isolasi hybrid), yang dikenal sebagai kertas Aramid.

Di awal abad ke-20 bahan isolasi yang dipakai adalah asbestos, low grade pressboard, kertas shellac impregnated. Kemudian dikembangkan kertas resin impregnated, lalu kertas isolasi dengan selulosa high sulfate. Kertas, pressboard, transformer board dari selulosa adalah bahan isolasi yang paling banyak digunakan.Minyak hidrokarbon juga merupakan bagian dari isolasi.

Isolasi solid seperti kertas, press board dan transformer board terbuat dari selulosa tumbuhan. Sumber utama serat selulosa adalah kayu. Kayu mengandung 40 sampai 50% selulosa, 20 sampai 30% lignin dan 10 sampai 30% hemi selulosa. Selulosa sendiri adalah polimer linier yang unit-unit glukosa-nya terhubung pada atom Karbon yang pertama dan ke-4. Selulosa dalam keadaan baru mempunyai 1000 sampai 3000 rantai glukosa.

Kertas Kraft mengandung polimer selulosa dengan berat molekul tinggi sekitar 75 sampai 90%, hemi selulosa dengan berat molekul rendah 10 sampai 20% dan lignin 0 sampai 5%.

Apa arti DP (Degree of Polymerisation) ?

Selulosa adalah polimer linier yang terdiri dari unit-unit glukosa anhydrous tunggal yang terhubung pada atom-atom Karbon pertama dan keempat melalui ikatan glukosidik. Jumlah unit monomer dalam polimer disebut sebagai degree of polymerisation. Sering kali, kualitas selulosa diukur dari tingkat polimerisasi (DP) dengan metode viskometrik rata-rata. Panjang rantai selulosa yang diukur dari tingkat polimerisasi rata-rata berdasar metode viskositas dinyatakan oleh DP.

Kekuatan isolasi bergantung pada:

Komposisi kimia

Berat molekul polimer

Morfologi polimer

Pada isolasi padat, pengeringan dan impregnasi minyak sangat penting untuk menjaga kekuatan isolasi kertas. Kadang-kadang kapas juga dipakai sebagai isolasi. Kertas yang telah diupgrade secara thermal disebut kertas Aramid yang terbuat 100% dari serat polyamide aromatik. Penggunaan kertas Aramid tidak terlalu umum karena mahal.

Tembaga yang dilapisi kertas isolasi

BAB III

Breakdown Down Voltage