TRANSFORMATOR

I.                   PENDAHULUAN

1.1              LATAR BELAKANG

Sistem tenaga listrik adalah sekumpulan pusat tenaga litrik dan gardu distribusi yang satu dengan yang lainnya, yang terhubung dengan jaringan membentuk suatu kesatuan interkoneksi.

            Listrik juga merupakan sarana yang sangat dibutuhkan untuk menunjang kemajuan pembangunan bangsa dan juga merupakan kebutuhan yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Energi listrik dikirimkan ke beban melalui suatu system transmisi yang jaraknya tergantung pada letak lokasi dari pembangkitan dan pusat-pusat beban, sehingga dalam pengoperasian penyaluran daya listrik sering kali mengalami berbagai gangguan yang dapat mengakibatkan terputusnya kelangsungan pelayanan energi listrik ke pihak konsumen.

            Akibat dari besarnya arus gangguan yang terjadi dapat menimbulkan kerusakan dan bahaya kebakaran dalam peralatan system  tenaga listrik seperti : generator, transformator, dan sebagainya. Untuk menghindari akibat-akibat gangguan tersebut, maka pada peralatan system tenaga listrik dibutuhkan suatu system pengaman (system proteksi) dan pengawasan yang seksama, untuk nenjamin keamanan yang baik dalam system proteksi. Dengan demikian diharapkan kerusakan pada peralatan-peralatan listrik tidak akan terjadi serta gangguan dapat dikurangi sampai pada tingkat yang sekecil mungkin.

1.2              RUMUSAN MASALAH

1.   Apa rumus yang digunakan pada transformator?

2.   Apa saja jenis-jenis transformator?

3.   Bagaimana prinsip kerja transformator?

4.   Apa manfaat serta kerugian dari transformator?

1.3              TUJUAN PENULISAN

Makalah ini disusun bertujuan untuk membantu mahasiswa agar lebih memahami mengenai transformator. Adapun materi mengenai transformator ini merupakan salah satu bagian dari mata kuliah elektronika dasar. Oleh sebab itu salah satu tujuan penulisan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah Bahasa Indonesia tentang Teknik Elekronika.

II. LANDASAN TEORI

Pengenalan Transformator

Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain.

Transformator didefinisikan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam system tenaga listrik memungkinkan dipilihnya tegangan yang sesuai, dan ekonomis untuk berbagai keperluan misalnya keperluan akan tegangan tinggi dalam pengiriman listrik jarak jauh.

Penggunaan Transformator

Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan sebagainya.

Kegunaan transformator adalah suatu alat yang berguna untuk mengubah tegangan arus bolak balik menjadi lebih tinggi atau rendah. Transformator terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder yang diisolasi (terpisah) secara listrik.

III.  PEMBAHASAN

3.1       Prinsip kerja

Prinsip kerja transformator adalah kumparan primer yang dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, sehingga terjadi perubahan arus listrik pada kumparan primer yang menimbulkan medan magnet berubah. Penggunaan transformator pada kehidupan sehari-hari adalah transformator yang dapat mengubah tegangan listrik bolak-balik yang dari 220volt menjadi 120volt. 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.

3.2       Hubungan Primer-Sekunder

 Hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder

3.3       Manfaat Transformator

·         Menyesuaikan/ merubah tegangan listrik arus bolak balik

·         Memisahkan / decoupling antara rangkaian yang satu dengan lainnya.

·         Menyesuaikan impedansi antara rangkaian satu dengan lainnya.

3.4       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 I2Rdalam 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 mempengaruhi 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 tolak). 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 tolakan fluks magnet pada material inti. Kerugian ini berkurang kalau digunakan inti berlapis-lapisan.

3.5       Efisiensi

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%.

3.6       Jenis-Jenis Transformator

1.         Step-Up

Lambang Transformator 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

Adaptor AC-DC merupakan piranti yang menggunakan transformator step-down

Lambang Transformator 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

Skema 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

Skema 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.

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).

3.7       Transformator Daya

Transformator tenaga/daya adalah suatu peralatan tenaga listrik yang berfungsi untuk 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/daya dapat di klasifikasikan menurut:

·   Pasangan: 

·   Pasangan dalam 

·   Pasanga luar

·   Pendinginan

• Pendinginan media udara
• Pendinginan media gas
• Pendinginan media minyak
• Pendinginan media air

·   Fungsi/Pemakaian

• Transformator mesin 
• Transformator Gardu Induk 
• Transformator Distribusi

·   Kapasitas dan Tegangan

• Trafo besar
• Trafo sedang
• Trafo kecil.

3.8       Cara Kerja dan Fungsi Tiap-tiap Bagian pada Transformator

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:

Ø  Kekuatan isolasi tinggi 

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

Ø  Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersirkulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik 

Ø  Titik nyala yang tinggi, tidak mudah menguap yang dapat membahayakan 

Ø  Tidak merusak bahan isolasi padat 

Ø  Sifat kimia yang 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.

- 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.

3.9.      Pemeliharaan Trafo

a.   Bagian yang harus diperhatikan untuk pemeliharaan transformator

1. kumparan

Berfungsi untuk mentransformasikan besaran-besaran ukur arus listrik dari yang tingi/menengah ke yang rendah

2. isolasi

Umumnya terdiri dari zat cair (minyak) yang berfungsi untuk mengisolasi bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan atau mengisolasi bagian yang berlainan fasa.

3. isolator / porselin

Berfungsi sebagai isolai antara bagian-bagian yang bertegangan berlainan fasa

4. katup pernapasan

Berfungsi untuk menyerap udara lembab yang timbul dalam ruang trafo, sehingga akan mencegah rusaknya minyak (isolasi) trafo. 

b.   Jadwal pemeliharaan trafo

1. pemeliharaan harian

Pemeliharaan yang dilakukan setia hari diantaranya peralatan/komponen yang diperiksa salah satunya adalah : tangki, radiator, pipa-pipa minyak dan air, katup-katup.

2. pemeliharaan bulanan

Pemeliharaan bulanan dilaksankan dalam keadaan beroperasi, hal ini berupa pekerjaan pemeriksaan visual yang meliputi pemeriksaan antara lain tinggi permukaan minyak, warna minyak, kondsi bushing, kondisi permukaan tangki/radiator, kemungkinan adanya kebocoran, suhu trafo, pengukuran tegangan beban trafo serta penyetelan sadapan

3. Pemeliharaan 6 bulanan

Pemeliharaan yang dilakukan setiap 6 bulan sekali

4. pemeliharaan tahunan

Pemeliharaan tahunan dilaksanakan dalam keadaan tidak bertegangan sama dengan pekerjaan yang dilakukan dalam pemeliharaan bulanan ditambah pemeriksaan kelengkapan trafo, meliputi : arrester, spark gap, pentanahan, tempat kedudukan trafo serta pengukuran atau pengujian kontinyuitas lilitan, tahanan isolasi, polaritas indeks dan dielektrik minyak.

IV. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

1.      Kelayakan operasi dari suatu transformator daya dapat ditetapkan setelah melalui tahapan-tahapan pengujian berdasarkan standar yang berlaku. 

2.      Ketelitian dari proses pengujian transformator daya sangat dipengaruhi oleh temperatur ruang serta ketepatan waktu pelaksanaannya.

3.      Keandalan transformator selama masa operasi, sangat ditentukan oleh cara pemeliharaannya, sehingga jadwal waktu pemeliharaan perlu dikaji lebih lanjut.

4.      Energy dipindahkan dari kumparan primer ke kumparan sekunder oleh magnetisasi dalam inti.

4.2 Saran

1.      Untuk meningkatkan kehandalan pelayanan kepada pelanggan perlu adanya penggantian peralatan listrik yang sudah tua, serta meningkatkan kapasitas daya peralatan guna memenuhi permintaan daya listrik yang semakin meningkat

2.      Perlunya penambahan unit-unit pembangkit baru yang terinterkoneksi sehingga daya yang ada dapat memenuhi kebutuhan pelanggan pada saat beban puncak dan sebagai cadangan daya untuk tetap menjaga keandalan system

3.      Perlu ditingkatkan pelaksanaan pemeliharaan yang terjadwal pada peralatan listrik sebagai antisipasi, sehingga tidak terjadi gangguan dan kerusakan yang fatal pada peralatan yang dapat mengurangi efisiensi kerja daya pembangit dan keandalan system transmisi.

DAFTAR PUSTAKA

1.      IEC 156/1963. Method for the determination of electric strength of insulating oils. 1963

2.      IEC 76/1976. Power Transformer. 1976.

3.      P.T. Bambang Djaya. Methode Pengujian Transformator Distribusi. Surabaya : PT. Bambang Djaya, 1995.

4.      P.T. PLN. Petunjuk Operasi dan Pemeliharaan untuk Transformator Tenaga. Jakarta : Perusahaan Umum Listrik Negara, 1981.

5.      SPLN 17/1979 . Pedoman Pembebanan Transformator Terendam Minyak. Jakarta: 1979.

6.      SPLN 50/1982 . Pengujian Transformator. Jakarta: 1982.

7.      Wiki. Rumus yang digunakan dan Jenis-jenis transformator. Jakarta: Wikipedia

8.      Edukasi.net. Prinsip kerja transformator, dan Penggunaan transformator. Jakarta: edukasi.net

9.      Kanginan, Marthen. Fisika 2B. Jakarta: Erlangga, 1994.

10.  Arismunandar, DR., kuwahara. 1997. Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik Jilid III Gardu Induk. Jakarta: Pradnya Paramitha

11.  http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=berkas; transformer_hightolow_smaller.Jpg