Hukum Faraday dan Induksi Elektromagnetik

Hukum Faraday dan Induksi ElektromagnetikSetelah dalam tahun 1820 Oersted memperlihatkan bahwa arus listrik dapat mempengaruhi jarum kompas, Faraday mempunyai kepercayaan bahwa jika arus listrik dapat menimbulkan medan magnetik, maka medan magnetik harus bisa menimbulkan arus listrik. Untuk membuktikannya Faraday membuat percobaan yang bertujuan untuk menunjukkanbahwa arus listrik dapat ditimbulkan oleh kemagnetan.

Dalam istilah medan , kita dapat mengatakan bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu menimbulkan elektromotansi (tegangan gerak listrik/tgl) yang dapat mengalirkan arus listrik pada suatu rangkaian tertutup. Tegangan yang ditimbulkan oleh konduktor yang bergerak dalam medan megnet yang berubah seperti yang akan kita definisikan di bawah ini.

Hukum Faraday biasanya dinyatakan sebagai berikut :

emf = - V (1) Persamaan (1) berlaku untuk lintasan tertutup. Tanda minus menyatakn bahwa arah elektromotansi sedemikian rupa sehingga menimbulkan arus yang fluksnya jika ditambahkan dengan fluks semula akan mengurangi fluks tersebut. Tegangan yang diinduksikan oleh fluks yang berubah mempunyai polaritas sedemikian hingga arus yang ditimbulkannya dalam suatu lintasan tertutup melawan perubahan fluks tadi, pernyataan ini disebut dengan Hukum Lenz.

Jika lintasan tertutupnya berbentuk konduktor filament yang terdiri dari N lilitan, seringkali cukup cermat untuk menganggap lilitan tersebut berimpit, sehingga :

emf = - N (2) Faraday melakukan percobaan untuk menginduksi medan elektromagnet. Gambar percobaannya ditunjukkan di bawah ini.

Percobaan Faraday Untuk Menginduksi Medan Elektromagnet Induksi Elektromagnetik

Induksi Elektromagnetik menjelaskan tentang suatu tegangan yang dapat diinduksikan ke dalam koil ketika garis gaya magnet memotong lilitan dan polaritas tegangan yang diinduksikan bergantung pada arah garis gaya magnet yang memotong lilitan.

Sebuah solenoida yang mempunyai lilitan dengan menggunakan inti udara, dimana kedua ujung solenoida dihubungkan pada terminal dari sebuah galvanometer. Dan sebuah magnet batang dimasukkan dalam koil, sedemikian hingga kutub S pada magnet memasuki koil pada sisi sebelah kiri. Arus yang terjadi dalam solenoida dapat membangkitkan medan magnet dengan kutub S solenoida pada sisi sebelah kiri. Seperti halnya kutub magnet yang sama akan tolak menolak, dan memenuhi hukum Lenz. Arus induksi dalam solenoida akan memberikan suatu medan magnet yang berlawanan terhadap medan induksi.

Polaritas tegangan induksi dapat diramalkan oleh hukum Lenz, yang menyatakan bahwa polaritas dari tegangan yang diinduksikan dalam sebuah konduktor harus sedemikian rupa hingga medan magnet yang dibangkitkan dari hasil arus dalam konduktor akan berlawanan terhadap gerak induksi medan magnet.

Dalam Induksi Elektromagnetik, berlaku juga Hukum Faraday yaitu besarnya tegangan induksi dalam solenoida pada saat lilitan memotong garis gaya magnet akan berbanding lurus dengan jumlah lilitan dan pada tingkat dimana garis fluks magnet dipotong oleh lilitan.

Faraday melakukan percobaan untuk membuktikan adanya induksi elektromagnetik. Gambar percobaannya ditunjukkan di bawah ini.

Percobaan Faraday Untuk Membuktikan Adanya Induksi Elektromagnetik

APLIKASI INDUKSI ELEKTROMAGNETIKGENERATOR Suatu sistem yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan prinsip kerja berdasarkan peristiwa induksi (hukum Faraday). Besarnya GGL induksi yang timbul di dalam kumparan adalah :

e = - N DinamoDinamo adalah generator listrik pertama yang mampu mengantarkan tenaga untuk industri, dan masih merupakan generator terpenting yang digunakan pada abad 21. Dinamo menggunakan prinsip elektromagnetisme untuk mengubah putaran mekanik menjadi listrik arus bolak-balik.

Dinamo pertama berdasarkan prinsip Faraday dibuat pada 1832 oleh Hippolyte Pixii, seorang pembuat alat Prancis. Alat ini menggunakan magnet permanen yang diputar oleh sebuah "crank". Magnet yang berputar diletakaan sedemikian rupa sehingga kutub utara dan selatannya melewati sebongkah besi yang dibungkus dengan kawat. Pixii menemukan bahwa magnet yang berputar memproduksi sebuah pulsa arus di kawat setiap kali sebuah kutub melewati "coil". Lebih jauh lagi, kutub utara dan selatan magnet menginduksi arus di arah yang berlawanan. Dengan menambah sebuah komutator, Pixii dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.Dinamo GrammeNamun, kedua desain di atas menderita masalah yang sama: mereka menginduksi "spike" arus diikuti tanpa arus sama sekali. Antonio Pacinotti, seorang ilmuwan Italia, memperbaikinya dengan mengganti "coil" berputar dengan yang "toroidal", yang dia ciptakan dengan mebungkus cincin besi. Ini berarti bahwa sebagian dari "coil" terus melewati magnet, membuat arus menjadi lancar. Znobe Gramme menciptakan kembali desain ini beberapa tahun kemudian ketika mendesain pembangkit listrik komersial untuk pertama kalinya, di Paris pada 1870-an. Desainnya sekarang dikenal dengan nama dinamo Gramme. Beberapa versi dan peningkatan lain telah dibuat, tetapi konsep dasar dari memutar loop kawat yang tak pernah habis tetap berada di hati semua dinamo modern.Transformator Transformator yang telah diproduksi terlebih dahulu melalui pengujian sesuai standar yang telah ditetapkan. menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau sebaliknya (mentransformasikan tegangan). Dalam operasi umumnya, trafo-trafo tenaga ditanahkan pada titik netralnya sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan/proteksi, sebagai contoh transformator 150/70 kV ditanahkan secara langsung di sisi netral 150 kV, dan transformator 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan di sisi netral 20 kV nya. Transformator yang telah diproduksi terlebih dahulu melalui pengujian sesuai standar yang telah ditetapkan.

Klasifikasi

Transformator tenaga dapat di klasifikasikan menurut:

Pasangan:

Pasangan dalam

Pasanga luar

Pendinginan

Menurut cara pendinginannya dapat dibedakan sebagai berikut:

Fungsi/Pemakaian

Transformator mesin

Transformator Gardu Induk

Transformator

Distribusi Kapasitas dan Tegangan

Untuk mempermudah pengawasan dalam operasi trafo dapat dibagi menjadi: Trafo besar, Trafo sedang, Trafo kecil.

Cara Kerja dan Fungsi Tiap-tiap Bagian

Suatu transformator terdiri atas beberapa bagian yang mempunyai fungsi masing-masing:

Bagian utama

- Inti besi

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current.

- Kumparan trafo

Beberapa lilitan kawat berisolasi membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut diisolasi baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain dengan isolasi padat seperti karton, pertinax dan lain-lain.

Umumnya pada trafo terdapat kumparan primer dan sekunder. Bila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan/arus bolak-balik maka pada kumparan tersebut timbul fluksi yang menginduksikan tegangan, bila pada rangkaian sekunder ditutup (rangkaian beban) maka akan mengalir arus pada kumparan ini. Jadi kumparan sebagai alat transformasi tegangan dan arus.

- Kumparan tertier

Kumparan tertier diperlukan untuk memperoleh tegangan tertier atau untuk kebutuhan lain. Untuk kedua keperluan tersebut, kumparan tertier selalu dihubungkan delta. Kumparan tertier sering dipergunakan juga untuk penyambungan peralatan bantu seperti kondensator synchrone, kapasitor shunt dan reactor shunt, namun demikian tidak semua trafo daya mempunyai kumparan tertier.

- Minyak trafo

Sebagian 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. Untuk itu minyak trafo harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

kekuatan isolasi tinggi

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

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

titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan

tidak merusak bahan isolasi padat

sifat kimia y

ang stabil.

- Bushing

Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah busing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut denga tangki trafo.

- Tangki dan Konservator

Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator.

Peralatan Bantu

- Pendingin

Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi di dalam trafo, maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut trafo perlu dilengkapi dengan sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar trafo.

Media yang digunakan pada sistem pendingin dapat berupa: Udara/gas, minyak dan air. Pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara :

Alamiah (natural)

Tekanan/paksaan (forced).

Macam-macam dan sistem pendingin trafo berdasarkan media dan cara pengalirannya dapat diklasifikasikan seperti pada Tabel 1.

- Tap Changer (perubah tap)

Tap Changer adalah perubah perbandingan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi sekunder sesuai yang diinginkan dari tegangan jaringan/primer yang berubah-ubah. Tap changer dapat dilakukan baik dalam keadaan berbeban (on-load) atau dalam keadaan tak berbeban (off load), tergantung jenisnya.

- Alat pernapasan

Karena pengaruh naik turunnya beban trafo maupun suhu udara luar, maka suhu minyakpun akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya bila suhu minyak turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.

Kedua proses di atas disebut pernapasan trafo. Permukaan minyak trafo akan selalu bersinggungan dengan udara luar yang menurunkan nilai tegangan tembus minyak trafo, maka untuk mencegah hal tersebut, pada ujung pipa penghubung udara luar dilengkapi tabung berisi kristal zat hygroskopis.

- Indikator

Untuk mengawasi selama trafo beroperasi, maka perlu adanya indicator pada trafo sebagai berikut:

indikator suhu minyak

indikator permukaan minyak

indikator sistem pendingin

indikator kedudukan tap

dan sebagainya.

Peralatan Proteksi

- Rele Bucholz

Rele Bucholz adalah rele alat/rele untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo yang menimbulkan gas.

Gas yang timbul diakibatkan oleh:

a. Hubung singkat antar lilitan pada/dalam phasa b. Hubung singkat antar phasa c. Hubung singkat antar phasa ke tanah d. Busur api listrik antar laminasi e. Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.

- Pengaman tekanan lebih

Alat ini berupa membran yang dibuat dari kaca, plastik, tembaga atau katup berpegas, berfungsi sebagai pengaman tangki trafo terhadap kenaikan tekan gas yang timbul di dalam tangki yang akan pecah pada tekanan tertentu dan kekuatannya lebih rendah dari kakuatan tangi trafo.

- Rele tekanan lebih

Rele ini berfungsi hampir sama seperti rele Bucholz, yakni mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo. Bedanya rele ini hanya bekerja oleh kenaikan tekanan gas yang tiba-tiba dan langsung mentripkan P.M.T.

- Rele Diferensial

Berfungsi mengamankan trafo dari gangguan di dalam trafo antara lain flash over antara kumparan dengan kumparan atau kumparan dengan tangki atau belitan dengan belitan di dalam kumparan ataupun beda kumparan.

- Rele Arus lebih

Befungsi mengamankan trafo arus yang melebihi dari arus yang diperkenankan lewat dari trafo terseut dan arus lebih ini dapat terjadi oleh karena beban lebih atau gangguan hubung singkat.

- Rele Tangki tanah

Berfungsi untuk mengamankan trafo bila ada hubung singkat antara bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada trafo.

- Rele Hubung tanah

Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi gangguan hubung singkat satu phasa ke tanah.

- Rele Termis

Berfungsi untuk mencegah/mengamankan trafo dari kerusakan isolasi kumparan, akibat adanya panas lebih yang ditimbulkan oleh arus lebih. Besaran yang diukur di dalam rele ini adalah kenaikan temperatur.