TRANSFORMATOR

1. Teori Dasar 1.1. Definisi Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain tanpa merubah frekuensi dari sistem, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Trafo digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan trafo 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.

Berdasarkan frekuensi transformator dapat di kelompokkan sebagai berikut:1. Frekuensi daya, 50-60 c/s2. Frekuensi pendengaran 50 c/s - 20 kc/s3. Frekuensi radio diatas 30 kc/s

(Sumber : http://arifzakariya.wordpress.com/2011/03/06/transformator/)

Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi:a) Transformator daya, trafo ini biasanya digunakan untuk menaikkan tegangan

pembangkit menjadi tegangan transmisi.b) Transformator distribusi, untuk menurunkan tegangan transmisi menjadi tegangan

distribusi.c) Transformator instrument, digunakan untuk pengukuran yang terdiri atas transformator

arus (current transformer-CT) dan transformator tegangan (potential transformer-PT).

Masing-masing tipe transformator memiliki kekhususan dalam perencanaan dan pembuatan yang disesuaikan dengan pemakaiannya. Walaupun demikian semua tipe transformator mempunyai prinsip dasar yang sama.

Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar “kaki“ inti transformator.

Gambar 1. Bagan Transformator

1

1.2. Konstruksi TransformatorSecara umum dapat dibedakan dua jenis transformator menurut konstruksinya, yaitu:

a. Tipe inti

Pada tipe inti terdapat dua kaki, dan masing-masing kaki dibelit oleh satu kumparan.

Gambar 2. Konstruksi Transformator Tipe Inti

(Sumber : kadir, Abdul, Transformator, Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1989, p.l)

b. Tipe cangkang

Pada tipe cangkang mempunyai tiga buah kaki, dan hanya kaki yang tengah-tengah dibelit oleh kedua kumparan. Kedua kumparan dalam tipe cangkang ini tidak tergabung secara elektrik, melainkan saling tergabung secara magnetik melalui inti. Bagian datar dari inti dinamakan pemikul.

Gambar 3. Konstruksi Transformator Tipe Cangkang

(Sumber : kadir, Abdul, Transformator, Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1989, p.l)

1.3. Jenis fasa Tegangan Transformator

Sebagaimana diketahui, bahwa fasa tegangan listrik yang umum digunakan adalah tegangan satu fasa dan tegangan tiga fasa.

Berdasarkan ini dikenal 2 jenis transformator:a. Transformator satu fasa, bila transformator digunakan untuk memindahkan tenaga

listrik satu fasa.b. Transformator tiga fasa, bila transformator digunakan untuk memindahkan tenaga listrik

tiga fasa.

2

1.4. Prinsip Kerja Transformator1. Hubungan Primer-Sekunder

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

Apabila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan (sumber), maka akan mengalir arus bolak-balik I1 pada kumparan tersebut. Oleh karena kumparan mempuntai inti, arus I1

menimbulkan fluks magnit yang juga berubah-ubah pada intinya. Akibat adanya fluks magnit yang berubah-ubah, pada kumparan primer akan timbul GGL induksi ep.

Besarnya GGL induksi pada kumparan primer adalah:

Dimana: ep = GGL induksi pada kumparan primerNp = Jumlah lilitan kumparan primerd = Perubahan garis-garis gaya magnit dalam satuan weberdt = Perubahan waktu dalam satuan detik

Fluks magnit yang menginduksi GGL induksi ep juga dialami oleh kumparan sekunder karena merupakan fluks bersama (mutual fluks). Dengan demikian fluks tersebut menginduksi GGL induksi es pada kumparan sekunder.

Dimana Ns adalah jumlah lilitan kumparan sekunder.

Dari persamaan ep dan es didapatkan perbandingan lilitan berdasarkan perbandingan GGL induksi, yaitu:

a = ep / es = Np/Nsa = Nilai perbandingan lilitan transformator (turn ratio)

Apabila, a < 1, maka transformator berfungsi untuk menaikkan tegangan (step up) a > 1, maka transformator berfungsi untuk menurunkan tegangan (step down)

Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer adalah:

dan rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder adalah:

.Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama, maka:

dimana dengan menyusun ulang persamaan akan didapat

sedemikian hingga .

3

Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

2. Kerugian dalam TransformatorPerhitungan diatas hanya berlaku apabila kopling primer-sekunder sempurna dan

tidak ada kerugian, tetapi dalam praktek terjadi beberapa kerugian yaitu:

a) kerugian tembaga

Kerugian dalam lilitan tembaga yang disebabkan oleh resistansi tembaga dan arus listrik yang mengalirinya.

b) 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.

c) Kerugian kapasitas liarKerugian 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)

d) 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.

e) Kerugian efek kulitSebagaimana 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.

f) 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-lapisan.

3. Keadaan Transformator Tanpa bebanBila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan

V1 sinusoidal, akan mengalirlah arus primer I0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni, I0 akan tertinggal 90˚ dari V1. Arus primer I0 menimbulkan flluks (Φ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal.

Φ = Φmaks sin wtFluks sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi e1 (Hukum Faraday)

e1 = - N1 dΦ dt

e1 = - N1 d(Φmaks sin wt) = N1 w Φmaks cos wt (tertinggal 90˚ dari Φ) Dt

4

Harga efektifnyaE1 = N12πfΦmaks = 4.44 N1fΦmaks

2

pada rangkaian sekunder, fluks (Φ) bersama menimbulkan: e2 = - N2 dΦ

dte2 = - N2 wΦm cos wtE2 = 4.44 N2 fΦm

sehingga E1 = N1

E2 = N2

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor

E1 = V1 = N1 = aE2 V2 N2

a = perbandingan transformasi

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

4. Arus Penguat

Arus primer yang mengalir pada saat arus sekunder tidak dibebani disebut arus penguat. Dalam kenyataannya arus primer Io bukan merupakan arus induktif murni, karena terdiri dari dua komponen :

1. Komponen arus pemagnetan Im, yang menghasilkan fluks ( ). Karena sifat besi yang tidak linier, maka arus pemagnetan Im juga fluks tidak sinusoida. Hal ii disebabkan adanya pengarus gelombang selaras yang dikandung besi.

2. Komponen arus rugi besi Ic yang menyebabkan daya hilang akibat rugi histeris dan rugi arus eddy.

5. Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator dapat diketahui dengan rumus Karena adanya kerugian pada transformator. Maka efisiensi transformator tidak dapat mencapai 100%. Untuk transformator daya frekuensi rendah, efisiensi bisa mencapai 98%.

6. Ototransformator

Suatu transformator fasa tunggal dengan perbandingan lilitan 3 : 1 akan menjadi ototransformator apabila sebagian kumparan primer menjadi bagian kumparan sekunder.

Dengan mengabaikan rugi impedansi berlaku :Vab = 3 Vcd Idc = 3 Iab, Untuk ototransformator diperoleh : Ief = Idc – Iab

Kelemahan ototransformator adalah adanya hubungan konduktif antara kumparan tegangan tinggi dengan tegangan rendah, sehingga suatu kesalahan meletakkan tegangan tinggi menjadi tegangan rendah karena bisa mengakibatkan kerusakan.

5

Transformator tidak dapat dioperasikan pada teganganDC karena bila dioperasikan dengan sumber arus DC maka pada kumparan primer tidak akan timbul fluks yang sinusoid. Hal ini terjadi karena arus DC tidak berbentuk sinusoid.

1.5. Jenis-Jenis Transformator

1. 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.

2. 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.

3. 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).

4. Autotransformator Variabel

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

5. 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 penerapan audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling kapasitor.

6. Transformator pulsa

Transformator 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.

6

7. Transformator tiga fasa

Transformator tiga fasa 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).

1.6. Aplikasi Penggunaan Transformator

a. Dalam kehidupan sehari-hari

Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh (sistem transmisi listrik jarak jauh).

Dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, untuk memisahkan satu rangkaian dengan rangkaian yang lain, dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.

Transformator juga digunakan hampir pada setiap peralatan listrik (seperti TV, radio, Tape, dll) yang membutuhkan penurunan tegangan listrik dari energi listrik perumahan.

Dengan menggunakan transformator dapat mengatur besarnya tegangan ataupun arus listrik yang dibutuhkan oleh berbagai macam peralatan listrik.

b. Aplikasi di Kapal / Marine

Untuk aplikasi transfomator pada bidang perkapalan terdapat beberapa terutama transformator jenis stepdown. Hal ini dikarenakan auxallary engine memiliki daya

yang besar untuk menghasilkan beban listrik pada masing-masing peralatan listrik di kapal. Transfomator di dalam kapal mempunyai peranan untuk menurunkan daya besar yang dihasilkan oleh auxallary engine yang kemudian disalurkan ke instalasi listrik di dalam kapal. Seperti contoh pada penggunaan sistem radio pada sistem komunikasi dan lampu penerangan

Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan.

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan.

Prinsip trafo step up dan step down diatas berdasarkan rumus , yaitu tegangan primer sebanding dengan jumlah lilitan primer, begitu pula tegangan sekunder sebanding dengan jumlah lilitan sekunder

Prinsip kerja Transformator step down pada sistem HVAC kapal ( Heat Ventilation Air Conditioning ) yaitu :

Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik yang berasal dari trafo distribusi di kapal, perubahan arus listrik pada kumparan primer (lilitannya banyak) menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder (lilitannya sedikit), sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Karena pada sistem ini Trafo yang digunakan disini adalah trafo step down, yaitu lilitan primernya lebih banyak daripada lilitan sekunder, maka tegangan outputnya menjadi lebih kecil.

7

Tegangan yang masuk sistem HVAC itu tetap 110/220, namun komponen didalamnya seperti compressor dll membutuhkan tegangan yang kecil. Disinilah fungsi dari trafo step down yang dipasang pada sistem HVAC

Voltase generator dikapal pada umumnya yaitu 400-480 V dan 600-690 V untuk low voltage generator, serta 4.16 kV, 6.3 – 6.6 kV , 10,5 – 11 kV, 13.8 kV untuk high voltage generator.

http://www.cumminsgeneratortechnologies.com/en/products/avk/

1. Lampu Sorot Kapal digunakan sebagai penerangan di atas kapal nelayan ataupun sebagai alat penerangan saat mencari ikan.

Gambar 4. Lampu Sorot Kapal

Yaitu menggunakan trafo step down karena kebutuhan voltasenya kecil, sedangkan voltase yang tersedia dikapal jauh lebih besar.

2. Centrifugal pump di kapal menggunakan trafo step up

Gambar 5. Pompa Sentrifugal

Tegangan yang digunakan pada pompa tersebut adalah 230 V, sedangkan tegangan yang di distribusikan dari trafo distrbusi adalah 220 V, maka digunakan trafo step up untuk menaikkan tegangannya.

www.cadoppi.com/public/.../ELETTROPOMPE_ Di _superfice.pdf

8

3. Transformers for ship HVAC system

Gambar 6. Transformator step down pada sistem HVAC kapal

Low voltage HVAC system pada umumnya voltasenya adalah kecil ( nilainya tergantung pada HVAC unit / komponennya ), padahal pada umumnya voltase yang didistribusikanoleh generator lebih besar , sehingga membutuhkan trafo step down yang dipasangkan pada HVAC system tersebut.

4. Trafo distribusi pada generator kapal

Gambar 7. Trafo distribusi pada generator kapal

Transformator jenis ini digunakan untuk menerima energi dari tingkat tegangan yang lebih tinggi (generator kapal ) dan mengubah dan mendistribusikan energi untuk tiap peralatan yang membutuhkan daya listrik yang lebih kecil.

5. Trafo step down pada Radio di kapal

Gambar 8. Trafo step down pada Radio di kapal

9

Dengan spesifikasi GENERALS TX Frequency :151.000~159.150MHz RX Frequency : 151.000~163.275MHz Communication Mode : Simplex and Semi-Duplex Channel Number : 183 channels (ITU 55, USA 57, CAN 61, WEA 10) Private Channel : 760 channels Type of Emission : FM(16K0G3E), DSC(16K0G2B) Freq. Stability : ±10 ppm(-20 ℃ ~ +60 ℃ ) Antenna Impedance : 50? Consumed Currency (13.6V) : TX high 5.5A max Max. Audio 1.5A max Power Supply - DC 24V (DC 18 ~ 31.2V) - AC 100 ~ 120V, AC 200 ~ 240V Yaitu menggunakan trafo step down karena kebutuhan voltasenya kecil, sedangkan voltase yang tersedia dikapal jauh lebih besar.

10

Daftar Pustaka

1. Sulasno. 2009. Teknik Konversi Energi Listrik dan Sistem Pengaturan. Semarang:

Graha Ilmu.

2. (Sardono, Ir. MSc, Materi Kuliah Listrik Perkapalan, ITS, 2001)

3. Zuhal. 1990. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakart: Gramedia.

4. http://id.wikipedia.org/wiki/Transformator

5. http://dunia-listrik.blogspot.com

11