09e00029

PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATORTIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Fakultas Teknik USU)

OLEH :NAMA MAHASISWA: HOTDES LUMBANRAJANIM: 03 0402 052

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN2008

Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATORTIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU)

OLEH :

NAMA MAHASISWA: HOTDES LUMBANRAJANIM: 03 0402 052

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknikpada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada tanggal 24 bulan Mei tahun 2008 di depan Penguji :

1. Ir. Sumantri Zulkarnaen2. Ir. Satria Ginting3. Ir. Djendanari Sembiring

: Ketua Penguji :: Anggota Penguji :: Anggota Penguji :

Disetujui oleh :Pembimbing Tugas Akhir,

(Ir. Panusur S.M.L.Tobing)NIP: 130 810 770

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro,

(Ir. Nasrul Abdi, MT)NIP : 131 459 555Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

Abstrak

Transformator adalah suatu alat yang dapat memindahkan dan mengubah besar energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.Transformator tiga fasa hubungan open-delta adalah suatu hubungan belitan khusus pada tansformator tiga fasa. Hubungan belitan ini dilakukan pada transformator tiga fasa hubungan delta dimana salah satu satu belitan fasanya dibuka. Tujuannya adalah untuk dapat terus melayani beban tiga fasa.Ketidakseimbangan beban pada sistem tiga fasa terjadi ketika beban pada masing-masing fasa berbeda besarnya baik secara magnitude maupun secara sudut listriknya. Ketidakseimbangan beban mengakibatkan arus pada masing-masing fasa tidak seimbang sehingga resultan arus beban tidak sama dengan nol. Akibatanya untuk daya output yang sama transformator berbeban tidak seimbang akan mempunyai rugi-rugi yang lebih besar dan akan meyerap daya yang lebih besar sehingga efisiensinya akan lebih kecil dibandingkan transformator open delta berbeban seimbang.


KATA PENGANTAR

Segala hormat, puji dan syukur kepada Tuhan atas kasih dan karunia-NYA yang dilimpahkan kepada penulis selama perkuliahan, sampai pada saat penyusunan tugas akhir ini.Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, penulis beri judul:PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA PHASA HUBUNGAN OPEN DELTA (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT - USUSelama masa perkuliahan sampai menyelesaikan tugas akhir ini penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :1. Bapak Ir. Panusur S.M.L.Tobing, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan dan pengarahan serta motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.2. Ibu Ir. Windalina Syafiar, selaku dosen wali penulis yang telah membimbing penulis selama menjalani masa perkuliahan di USU.3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmat Fauzi, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU


4. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU.5. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.6. Keluargaku yang kukasihi: Kedua Orang-tua saya J. Lumbanraja dan N. Hutabalian, abang, kakak, dan adik-adik saya atas segala doa dan kasih sayangnya.7. Semua teman-teman Mahasiswa angkatan03 Teknik Elektro USU yang telah membantu penulis selama perkuliahan sampai pada penyusunan tugas akhir ini.8. Semua abang-abang senior dan adik-adik junior yang telah mau berbagi Ilmu dan pengalaman kepada penulis.9. Semua asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik Teknik Elektro USU.10. Teman-teman satu kost di Pembangunan 75 dan di Sei Padang 268, dan teman-teman PNHS Medan atas dukungannya.11. Temanku Dita, Harnov, Crissutanto, dan teman-teman yang lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.12. Kepada semua pihak yang banyak memberi dukungan kepada penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu.


Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya sehingga penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca.Akhir kata, penulis berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan menambah wawasan bagi para pembacanya.

Medan, April 2008

Penulis

Hotdes Lumbanraja Nim : 030402052


DAFTAR ISI

AbstrakiKata Pengantarii

Daftar IsivDaftar Gambarix

Daftar Tabelxii

BAB I PENDAHULUANI.1 Latar Belakang Masalah1I.2 Tujuan Penulisan3

I.3 Batasan Masalah3I.4 Manfaat Penulisan4I.5 Metode dan Sistematika Penulisan4

BAB II TRANSFOMATORII.1Umum7II.2Konstruksi Transformator8

II.3Prinsip Kerja10II.2 Keadaan Transformator Tanpa Beban11

II.3 Keadaan Transformator Berbeban14II.4 Rangkaian Ekivalen Transformator15II.4.1 Pengukuran Beban Nol17


II.4.2 Pengukuran Hubung Singkat19II.5 Diagram Vektor Beban Pada Transformator20II.5.1 Hubungan Tanpa Beban20II.5.2 Transformator Berbeban22

II.5.2.1 Beban Tahanan Murni22II.5.2.2 Beban induktif23

II.5.2.3 Beban Kapasitif24II.6Transformator Tiga PhasaII.6.1 Umum25II.6.2 Kontruksi Transformator Tiga Phasa dengan menggunakanTiga Buah Transformator Satu Fasa26

II.6.3 Hubungan Tiga Fasa Dalam Transformator28II.6.4 Jenis-jenis Hubungan Belitan transformator tiga Fasa31

BAB III TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTADAN EFISIENSI TRANSFORMATORIII.1 Umum36III.2 Pemakaian Transformator Open Delta37

III.3 Transformator Tiga Fasa Hubungan Open Delta Dalam KeadaanBerbeban39

III.3.1 Jenis-jenis Beban39III.3.1.1 Resistansi39III.3.1.2 Induktansi41


III.3.1.3 Kapasitansi44III.3.2 Rangkaian Beban Tiga Fasa Seimbang45III.3.3 Rangkaian Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang47III.4 Daya Pada Transformator Tiga Fasa Hubungan Open Delta49

III.5 Transformator Open Delta Dalam Keadaan Tidak Seimbang54III.6 Rugi-rugi Dan Efisiensi55

III.6.1 Rugi Tembanga (Pcu)55III.6.2 Rugi Besi (Pi)55III.6.3 Efisiensi56III.6.3.1 Perubahan Efisiensi Terhadap Beban57

III.6.3.2 Perubahan Efisiensi Terhadap FaktorKerja (cos ) beban57III.6.3.3 Kondisi Untuk Efisiensi Maksimum58III.6.3.4 Efisiensi Sepanjang Hari59

BAB IV PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAPEFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGANOPEN DELTAIV.1 Umum61IV.2 Persamaan-Persamaan Yang Digunakan Dalam Pengujian

Transformator Tiga Fasa61IV.2.1 Percobaan Beban Nol62IV.2.2 Percobaan Hubung Singkat63


IV.2.3 Percobaan Berbeban64IV.3 Peralatan Yang digunakan65IV.4 Rangkaian Pengukuran66IV.5 Prosedur Pengukuran67

IV.5.1 Percobaan Beban Nol67IV.5.2 Percobaan Hubung Singkat68

IV.5.3 Percobaan Berbeban68IV.6 Data Hasil Pengukuran Dan Analisa Perhitungan69IV.6.1 Data dan Name plate Transformator Tiga Fasa69IV.6.2 Percobaan Beban Nol70IV.6.3 Percobaan Hubung Singkat72

IV.6.4 Percobaan berbeban Seimbang74IV.6.5 Percobaan berbeban Tidak Seimbang77IV.6.5.1 Percobaan Dengan dua Fasa seimbang sedangkanfasa yang lain tidak dibebani77

IV.6.5.2 Percobaan Dengan dua Fasa seimbang sedangkanDibebani Berbeda79

IV.6.5.3 Masing-masing Fasa Dibebani Berbeda82

BAB V KESIMPULAN DAN SARANV.1 KESIMPULAN88V.2 SARAN89DAFTAR PUSTAKA


DAFTAR GAMBAR

BAB II TRANSFORMATOR

Gambar 2.1 Konstruksi Transformator Tipe Inti (Core Form)9

Gambar 2.2 Konstruksi Lempengan Logam Inti TransformatorBentuk L dan U ...9

Gambar 2.3 Transformator Tipe Cangka ng (Shell Form)10Gambar 2.4 Konstruksi Lempengan Logam Inti TransformatorBentuk E,I dan F10Gambar 2.5 Transformator Dalam Keadan tanpa Beban12Gambar 2.6 Transformator Dalam Keadan Berbeban14

Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Sebuah Transformator15Gambar 2.8 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Transformator16Gambar 2.9 Parameter Sekunder Pada Rangkaian Primer16Gambar 2.10 Hasil Akhir Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen

Transformator17Gambar 2.11 Pengukuran Beban Nol17Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Pengukuran Beban nol18

Gambar 2.13 Pengukuran Hubung Singkat19Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Pengukuran Hubung Singkat19

Gambar 2.15 Diagram Vektor Transformator Ideal Tanpa Beban21Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator tak Ideal Tanpa Beban22Gambar 2.17 Transformator Berbeban tahanan Murni22


Gambar 2.18 Vektor Diagram Transformator Berbeban tahanan Murni ...23Gambar 2.19 Vektor Diagram Transformator Berbeban Induktif24Gambar 2.20 Vektor Diagram Transformator Berbeban Kapasitif25Gambar 2.21 Transformator 3 Fasa Tipe Inti27

Gambar 2.22 Transformator 3 Fasa Tipe Cangkang27Gambar 2.23 Hubungan Wye29

Gambar 2.24 Hubungan Delta30Gambar 2.25 Transformator Hubungan Y-Y31Gambar 2.26 Transformator Hubungan Y-32Gambar 2.27 Transformator Hubungan -Y33Gambar 2.28 Transformator Hubungan -34

BAB III TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTADAN EFISIENSI TRANSFORMATORGambar 3.1 Transformator Hubungan Delta delta36Gambar 3.2 Transformator Hubungan Open delta37

Gambar 3.3 Perwakilan grafik Untuk hukum Ohm39Gambar 3.4 Grafik Resistor Tidak Linier40Gambar 3.5 Grafik Parameter Induktansi L42

Gambar 3.6 Induktor Linier Dengan Inti Besi43Gambar 3.7 Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Beserta diagram fasornya..45 Gambar 3.8 Beban tiga Fasa Hubungan Delta Dan Diagram Fasornya... 46 Gambar 3.9 Beban Tak Seimbang Terhubung Bintang Empat Kawat danTiga Kawat48


Gambar 3.10 Transformator Open delta Berbeban50Gambar 3.11 Diagram Fasor Tegangan dan Arus pada TransformatorOpen delta51Gambar 3.12 Vektor Tegangan Dan Arus Transformator Open delta

Pada Keadaan tidak Seimbang54Gambar 3.13 Blok Diagram rugi-rugi pada Transformator55

Gambar 3.14 Kurva Perubahan Efisiensi Terhadap faktor Kerja58BAB IV PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATORGambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol Hubungan Open delta66Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Hubung Singkat Hubungan Open

Delta67Gambar 4.3 Rangkaian Percobaan Berbeban Hubungan Open delta67Gambar 4.4 Kurva Karakteristik Daya Beban Nol Terhadap teganganInput71

Gambar 4.5 Kurva Karakteristik Daya Hubung Singkat73Gambar 4.6 Kurva Hubungan Antara Efisiensi Dengan Daya Output76Gambar 4.7 Kurva Hubungan Antara Loses Dengan Arus Beban76Gambar 4.8 Kurva Hubungan Antara Rata-Rata Ketidak seimbangan

Dengan Loses86Gambar 4.9 Kurva Hubungan Antara Rata-Rata Ketidak seimbangan

Dengan Loses86


DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Percobaan Beban Nol70Tabel 4.2 Hasil Analisa Data Percobaan Beban Nol71

Tabel 4.3 Data Percobaan Hubung singkat72Tabel 4.4 Hasil Analisa Data Percobaan Hubung singkat73

Tabel 4.5 Data Percobaan Berbeban Seimbang74Tabel 4.6 Hasil Analisa Data Percobaan Berbeban Seimbang75Tabel 4.7 Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain

Tidak Dibebani77Tabel 4.8 Hasil Analisa Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan

Fasa Lain Tidak Dibebani78Tabel 4.9 Data Percobaan Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa LainDibebani berbeda79Tabel 4.10 Hasil Analisa Data Dengan 2 Fasa Seimbang sedangkan Fasa Lain

Dibebani berbeda81Tabel 4.11 Data Percobaan Masing-masing Fasa Dibebani berbeda82Tabel 4.12 Hasil Analisa Data Percobaan Masing-masing Fasa

Dibebani berbeda85


BAB I

PENDAHULUAN

I.1. LATAR BELAKANG MASALAHTransformator adalah suatu alat yang dapat memindahkan dan mengubah besar energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama. Energi listrik yang dipindahkan dan diubah tersebut adalah tegangan dan arus bolak-balik (AC). Sedangkan tegangan dan arus searah(DC) tidak dapat dikonversikan oleh transformator.Jenis-jenis transformator sangat banyak, tetapi secara umum dapat diklasifikasikan atas tiga jenis, yaitu Transformator Daya, Transformator Distribusi dan Transformator Pengukuran. Dalam aplikasinya di lapangan transformator yang paling banyak dipergunakan adalah Transformator Daya dan Transformator Distribusi. Pada umumnya jenis transformator yang dipergunakan sebagai Transformator Daya dan Transformator Distribusi adalah transformator tiga fasa, karena suplai tegangan dan arus yang masuk dari pembangkit tenaga listrik adalah tegangan dan arus tiga fasa. Dan juga karena pertimbangan ekonomis dan keefisienannnya. Pada transformator tiga phasa terdapat dua hubungan belitan utama yaitu hubungan delta dan hubungan bintang. Dan ada empat kemungkinan lain hubungan transformator tiga phasa yaitu Hubungan Wye-Delta (Y-), Hubungan Delta-Wye (-Y), Hubungan Wye-Wye (Y-Y), Hubungan Delta-Delta (-).Hubungan delta-delta (-) adalah hubungan yang paling ekonomisdigunakan untuk tegangan rendah dengan arus atau beban yang besar dan juga untukHotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

beban yang tidak seimbang. Hubungan belitan ini juga merupakan hubungan belitan yang paling fleksibel jika dibandingkan dengan berbagai macam hubungan belitan lainnya. Salah satu keuntungan dari hubungan belitan ini adalah jika salah satu belitannya mengalami kerusakan atau tidak dapat melayani beban, sisa dua belitan lainnya dapat dioperasikan untuk menyalurkan daya dengan menggunakan hubungan belitan open-delta dimana belitan yang rusak dibuka atau dilepas. Pembukaan salah satu belitan juga dilakukan jika beban yang dilayani terlalu kecil untuk masa sekarang tetapi perlu diantisipasi pertumbuhan beban dimasa yang akan datang yaitu dengan penutupan / pemasangan kembali belitan yang dibuka ( hubungan delta-delta).Pada umumnya beban yang dilayani suatu transformator diusahakan seimbang, tetapi dalam kenyataannya sering beban yang dilayani oleh suatu transformator tidak seimbang. Beban tidak seimbang menyebabkan arus beban berubah-ubah, Karena arus beban yang berubah-ubah maka rugi-rugi tembaga juga berubah bergantung pada beban. Sehingga beban yang tidak seimbang akan mempengaruhi efisiensi dari transformator. Misalnya transformator itu adalah transformator open delta, maka sebelum dioperasikan perlu dilakukan pengujian. Salah satu pengujian dimaksud adalah pengujian untuk mengetahui pengaruh pembebanan tidak seimbang terhadap efisiensinya, karena efisiensi merupakan pertimbangan yang sangat penting diperhitungkan dalam pelayanan.


I.2.TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :1. Memberikan penjelasan tentang cara pemakaian transformator tiga fasa dengan hanya mengunakan dua buah belitan (hubungan Open-Delta) untuk menyalurkan tegangan dan arus tiga fasa.2. Untuk mengetahui pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan Open-Delta.

I.3.BATASAN MASALAHAgar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan tujuan penulisan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas yaitu :1. Membahas pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan belitan Open-Delta2. Transformator yang dipergunakan adalah transformator buatan Pabrik AEG-Jerman pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT-USU dengan rating sebagai berikut :Transformator tiga fasa: 2000 VA ; 50 Hz

Primer: 36,7-63,5 Volt ; 5,3 AmpereSekunder: 127-220 Volt ; 3,2 Ampere3. Menggunakan beban resistif 3 fasa yang dihubungkan delta

4. Tidak membahas masalah harmonisa.


I.4.MANFAAT PENULISANPenulisan Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat untuk :1. Mahasiswa Departemen Teknik Elektro yang ingin memperdalam pengetahuan tentang Transformator.2. Penulis sendiri untuk memberikan pemahaman tentang pentingnya mengetahui cara pemakaian transformator tiga fasa dengan dua belitan saja ( hubungan Open-Delta) untuk melayani penyaluran daya.3. Penulis sendiri untuk mengetahui pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator hubungan Open-Delta4. Bagi para pembaca, diharapkan dapat menjadi sumbangan dalam memperkaya pengetahuan sehingga dapat memunculkan ide-ide yang baru dalam menemukan suatu metode untuk mengetahui atau meningkatkan nilai efisiensi dari suatu transformator Open-Delta.

I.5.METODE DAN SISTEMATIKA PENULISAN

A.Metode PenulisanUntuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internetdan lain-lainHotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

B.Sistematika PenulisanTugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut.BAB I. PENDAHULUANBab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.BAB II. TRANSFORMATORBab ini menjelaskan tentang transformator secara umum, konstruksi, prinsip kerja, rangkaian ekivalen, keadaan tanpa beban dan keadaan berbeban, diagram vektor transformator, serta transformator tiga fasa. BAB III. TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN DELTA Bab ini menjelaskan tentang transformator tiga fasa hubungan open-delta, pemakaiannya, tegangan dan arus dalam transformator open-delta, daya serta rugi-rugi dan efisiensi pada transformator tiga fasa.


BAB IV. PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTABab ini menjelaskan tentang pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator tiga fasa hubungan open-delta yaitu dengan melaksanakan percobaan pada transformator di LaboratoriumKonversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT USU. BAB V. KESIMPULAN DAN SARANBab ini berisi kesimpulan dan saran yang diperoleh dari hasil percobaan.


BAB II

TRANSFORMATOR

II.1. UmumTransformator merupakan suatu alat listrik statis yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik bolak-balik ( arus dan tegangan ) dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan nilai yang sama maupun berbeda besarnya (lebih kecil atau lebih besar) pada frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Pada umumnya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis, dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer, dan kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan itu. Biasanya kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit seputar kaki inti transformator.Transformator digunakan secara luas baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya, kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya jarak jauh. Penggunaan transformator yang sangat sederhana dan andal merupakan salah satu alasan penting dalam pemakaiannya dalam penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik, karena arus bolak-balik sangat banyak dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik. Pada penyaluran tenaga listrik arus bolak-balik terjadi kerugian energi sebesar I2R watt. Kerugian ini akan banyak berkurang apabila tegangan dinaikkan setinggi


mungkin. Dengan demikian maka saluran-saluran transmisi tenaga listrik senantiasa mempergunakan tegangan yang tinggi. Hal ini dilakukan terutama untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi, dengan cara mempergunakan transformator untuk menaikkan tegangan listrik di pusat listrik dari tegangan generator yang biasanya berkisar antara 6 kV sampai 20 kV pada awal transmisi ke tegangan saluran transmisi antara 100 kV sampai 1000 kV, kemudian menurunkannya lagi pada ujung akhir saluran ke tegangan yang lebih rendah.Transformator yang dipakai pada jaringan tenaga listrik merupakan transformator tenaga. Disamping itu ada jenis-jenis transformator lain yang banyak dipergunakan, dan yang pada umumnya merupakan transformator yang jauh lebih kecil. Misalnya transformator yang dipakai di rumah tangga untuk menyesuaikan tegangan dari lemari es dengan tegangan yang berasal dari jaringan listrik atau transformator yang lebih kecil, yang dipakai pada lampu TL. Dan yang lebih kecil lagi, transformator-transformator mini yang dipergunakan pada berbagai alat elektronik, seperti pesawat penerima radio, televisi, dan sebagainya.

II.2. Konstruksi TransformatorPada dasarnya transformator terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti ferromagnetik. Transformator yang menjadi fokus bahasan disini adalah transformator daya.Konstruksi transformator daya ada dua tipe yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Kedua tipe ini menggunakan inti berlaminasi yang terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy.


Tipe inti (Core form)Tipe inti ini dibentuk dari lapisan besi berisolasi berbentuk persegi dan kumparan transformatornya dibelitkan pada dua sisi persegi. Pada konstruksi tipe inti, lilitan mengelilingi inti besi yang disebut dengan kumparan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1

inti

kumparan

Gambar 2.1 Konstruksi transformator tipe inti (core form)Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf L atau huruf U, dapat kita lihat pada gambar 2.2

Gambar. 2.2 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk L dan U Tipe cangkang (Shell form)


Jenis konstruksi transformator yang kedua yaitu tipe cangkang yang dibentuk dari lapisan inti berisolasi, dan kumparan dibelitkan di pusat inti, dapat dilihat pada gambar 2.3

Gambar 2.3 Transformator tipe cangkang (shell form)Pada transformator ini, kumparan atau belitan transformator dikelilingi oleh inti. Sedangkan konstruksi intinya pada umumnya berbentuk huruf E, huruf I atau huruf F seperti terlihat pada gambar 2.4

Gambar 2.4 Konstruksi lempengan logam inti transformator bentuk E, I dan F

II.3. Prinsip Kerja TransformatorTransformator terdiri atas dua buah kumparan ( primer dan sekunder ) yang bersifat induktif. Kedua kumparan ini terpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi ( reluctance ) rendah.


Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup maka mengalirlah arus primer. Akibat adanya fluks di kumparan primer maka di kumparan primer terjadi induksi ( self induction ) dan terjadi pula induksi di kumparan sekunder karena pengaruh induksi dari kumparan primer atau disebut sebagai induksi bersama ( mutual induction ) yang menyebabkan timbulnya fluks magnet di kumparan sekunder, maka mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder di bebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetisasi ).

e = N

ddt

Volt (2.1 )

Dimana : e Nddt

= gaya gerak listrik ( ggl ) [ volt ] = jumlah lilitan

= perubahan fluks magnet

Perlu diingat bahwa hanya tegangan listrik arus bolak-balik yang dapat ditransformasikan oleh transformator, sedangkan dalam bidang elektronika, transformator digunakan sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan arus bolak-balik antara rangkaian.Tujuan utama menggunakan inti pada transformator adalah untuk mengurangi reluktansi ( tahanan magnetis ) dari rangkaian magnetis ( common magnetic circuit )

II.3.1. Keadaan transformator tanpa beban


Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoidal, akan mengalir arus primer I0 yang juga sinusoidal dan dengan menganggap belitan N1 reaktif murni. I0 akan tertinggal 900 dari V1. Arus primer I0 menimbulkan fluks () yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid.

I1

V1 N1

E1

E2

N2

V2

Gambar 2.5 Transformator dalam keadaan tanpa beban

=

max

sin t Wb (2.2)

Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi 1 (HukumFaraday).

e = N

d

1 1

e = N

dtd

max

sint

1 1

e = N

dtcost (tertinggal 900 dari ) (2.3)

11maxe=Nsin(wt90)11max

Dimana : e1 = Gaya gerak listrik induksi


N1 = Jumlah belitan di sisi primer = Kecepatan sudut putar = Fluks magnetik Harga efektif:N

E =

1 max

1

N 2

2

f

E =

1 max

1

N 2 x

2

3,14 f

E =

1 max

1

N 6,28 f

2

E =

1 max

1

E = 4,44N

2

f (volt) (2.4)

11maxDimana : E1 = Gaya geraqk listrik induksi (efektif)

f= FrekuensiBila rugi tahanan dan adanya fluksi bocor diabaikan akan terdapat hubungan:

EVN

1E2

=

1V 2

=

1N 2

= a ........................................................ .(2.5)

Dimana : E1 = GGL induksi di sisi primer (volt)E2 = GGL induksi di sisi sekunder (volt)V1 = Tegangan terminal di sisi primer (volt) V2 = Tegangan terminal di sisi sekunder (volt) N1 = Jumlah belitan di sisi primerN2 = Jumlah belitan di sisi sekun


a= Faktor transformasi

II.3.2. Keadaan transformator berbeban

Apabila kumparan sekunder di hubungkan dengan beban ZL, akan mengalir

arus I2 pada kumparan sekunder, dimana I

2

V=Z

2

L

I1

V1

12 ,2

N1 E1 E2

I2

N2 V2 ZL

Gambar 2.6 Transformator dalam keadaan berbebanArus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2 I2 yang cenderung menentang fluks () bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I2, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer menjadi:I=I+I'(ampere)(2.6)102

Bila komponen arus rugi inti (Ic) diabaikan, maka I0 = Im , sehingga:

I=Im +I'(ampere)(2.7)12

Dimana:I1= arus pada sisi primer


I0= arus penguatIm = arus pemagnetan Ic = arus rugi-rugi intiII.4. Rangkaian Ekivalen TransformatorFluks yang dihasilkan oleh arus pemagnetan Im tidak seluruhnya merupakan Fluks Bersama (M), sebagian darinya hanya mencakup kumparan pimer (1) atau mencakup kumparan sekunder (2) saja dalam model rangkaian ekivalen yang dipakai untuk menganalisis kerja suatu transformator, adanya fluks bocor 1 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X1 dan fluks bocor 2 dengan mengalami proses transformasi dapat ditunjukan sebagai reaktansi X2 sedang rugi tahanan ditunjukan dengan R1 dan R2, dengan demikian model rangkaian dapat dituliskan seperti gambar 2.7I1R1X1I2'I2R2X2

I0

ACImIcZLXm Rc

N1 N2Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sebuah transformator V1= I1R1+I1X1+E1E1= aE2E2= I2R2+I2X2+V2 I2= aI2V1= I1R1+I1X1+a(I2R2+I2X2+V2)


V1= I1R1+I1X1+aI2R2+aI2X2+aV2V1= I1R1+I1X1+a(aI2R2)+a(aI2X2)+aV2 V1= I1R1+I1X1+a2I2R2+a2I2X2+aV2V1= I1R1+I1X1+I2(a2R2+a2X2)+aV2(2.8)Apabila semua parameter sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer, harganya perlu dikalikan dengan faktor a2, dimana a = E1/E2. Sekarang model rangkaian menjadi sebagai terlihat pada gambar berikut.

I1

AC

R1 X1

Im

I2'I0

IcXm Rc

a2R2 a2X2

a2Z aV2

Gambar 2.8 Penyederhanaan rangkaian ekivalen transformatorUntuk memudahkan perhitungan, model rangkaian tersebut dapat diubah menjadi seperti gambar dibawah ini.

AC

I1

Im

Xm

R1 X1 a2R2 a2R2 I2

Ic

Rc a2Z2

aV2

Gambar 2.9 Parameter sekunder pada rangkaian primer Maka didapat hasil perhitungan sebagai berikut :


Rek = R1 + a2R2 (ohm)(2.9)

Xek = X1 + a2X2 (ohm)(2.10)

Sehingga rangkaian di atas dapat diubah seperti gambar di bawah ini :

'I1 I

I0AC Im Xm Rc

Rek X ek

I c a2Z aV 2

Gambar 2.10 Hasil akhir penyederhanaan rangkaian ekivalen transformatorParameter transformator yang terdapat pada model rangkaian (rangkaian ekivalen) Rc, Xm, Rek dan Xek dapat ditentukan besarnya dengan dua macam pengukuran yaitu pengukuran beban nol dan pengukuran hubungan singkat.

II.4.1. Pengukuran beban nolRangkaian pengukuran beban nol atau tanpa beban dari suatu transformator dapat ditunjukkan pada gambar 2.11. Umumnya untuk pengukuran beban nol semua instrumen ukur diletakkan di sisi tegangan rendah (walaupun instrumen ukur terkadang diletakkan di sisi tegangan tinggi), dengan maksud agar besaran yang diukur cukup besar untuk dibaca dengan mudah.


AW

ACVN1N2

Gambar 2.11 Rangkaian pengukuran beban nolDalam keadaan tanpa beban bila kumparan primer di hubungkan dengan sumber tegangan V1, maka akan mengalir arus penguat I0. Dengan pengukuran daya yang masuk (P0), arus penguat I0 dan tegangan V1 maka akan diperoleh harga:

VRc =

21

(2.11)

P0VjXR1m

Z = =0I

c(2.12)R + jX

0cmDimana : Z0 = impedansi beban nol Rc = tahanan beban nolXm = reaktansi beban nolDengan demikian, dari pengukuran beban nol dapat diketahui harga Rc dan Xm. Rangkaian ekivalen dari pengukuran beban nol dapat dilihat pada gambar 2.12. di bawah ini. Dari gambar rangkaian ekivalen tersebut dapat kita lihat bahwa:

I

0

=I

ex

= I

c

+ I

m


I0RekXekIek

IcImV1RcXm

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen pengukuran beban nol

II.4.2. Pengukuran hubung singkatHubungan singkat berarti impedansi beban ZL diperkecil menjadi nol, sehingga hanya impedansi Zek = Rek + j Xek yang membatasi arus. Karena harga Rek dan Xek ini relatif kecil maka harus dijaga agar tegangan masuk (Vsc) cukup kecil, sehingga arus yang dihasilkan tidak melebihi arus nominal. Harga Iex akan relatif sangat kecil bila dibandingkan dengan arus nominal, sehingga pada pengukuran ini dapat diabaikan.

A W

AC V N1

N2

A

Gambar 2.13 Pengukuran hubung singkat


I scR ek X ek

V sc

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen pengukuran hubung singkatDengan mengukur tegangan Vsc, arus Isc dan daya Psc, akan dapat dihitung parameter:

PR =

sc

(ohm) (2.13)

ek

(I

V

sc

2)

Z =ek

sc= R + jX (ohm) (2.14) ek ekIsc(ohm) (2.15)

II.5DIAGRAM VEKTOR BEBAN PADA TRANSFORMATORYang dimaksud dengan diagram vektor disini adalah, penggambaran hubungan antara fluks magnet, tegangan dan arus yang mengalir dalam bentuk vektor.Hubungan yang terdapat di antara harga-harga tersebut akan tergantung pada sifat beban, impedansi lilitan primer dan sekunder serta rugi-rugi transformator.

II.5.1 Hubungan Tanpa BebanApabila transformator tidak dibebani, arus yang mengalir dalam transformator hanyalah arus pemagnetan ( Io ) saja.Dalam hal ini :


1. Fluks magnet ( o ) sephasa dengan arus primer tanpa beban ( Io ) dan ketinggalan 90o terhadap tegangan sumber ( V1 ).2. Gaya gerak listrik induksi pada primer ( E1 ) besarnya sama, tetapi berbeda phasa 180o terhadap tegangan sumber ( V1 ).3. Gaya gerak listrik induksi pada sekunder ( E2 ) = a E1 , ketinggalan 90o terhadap fluks magnet (o ).Dalam penggambaran, V1 = - E1, dengan menganggap :1. Rugi - rugi karena arus pusar dan rugi - rugi hysterisis di dalam inti besi tidak ada.2. Rugi - rugi tahanan pada kawat tembaga tidak ada.

3. Fluks bocor pada kumparan primer maupun sekunder tidak ada.Karena transformator tidaklah mungkin ideal, maka rugi - rugi yang ada harus diperhitungkan yaitu :1. Arus primer tanpa beban ( Io ) sephasa dengan fluks magnet (o ),sebenarnya mendahului sebesar e sehingga arus primer tanpa beban dapat diuraikan atas dua komponen, yaitu :Io = Im + Ih + e .( 2.16 )2. Besarnya ggl induksi E1 tidak lagi sama dengan V1, tetapi harus diperhitungkan terhadap penurunan tegangan karena adanya impedansi kumparan primer Z1 , sehingga diperoleh hubungan :V1 = ( -E1 ) + Io ( R1 + jX1 )(2.17 )Dimana : R1: tahanan kumparan primerX1: reaktansi induktif kumparan primer


o

Io

90o90o

V1 = - E10E1E2

Gambar 2.15 Diagram vektor transformator ideal tanpa beban

o

IoR1IoIm-E1IoX1oV1Ih + e0E1E2

Gambar 2.16 Diagram vektor transformator tak ideal tanpa beban

II.5.2 Transformator Berbeban

II.4.5.1Beban Tahanan MurniPada kumparan sekunder transformator terdapat R2 dan X2. Bila kumparan sekunder dihubungkan dengan tahanan murni R, maka dalam kumparan sekunder mengalir arus sebesar I2. Arus ini akan berbeda phasa sebesar 2 terhadap E2 akibat adanya reaktansi kumparan sekunder ( X2 ).


I1 I2R2 X2V1 E1 E2 V2

R L

Gambar 2.17 Transformator berbeban tahanan murni Dari gambar 2.17 diatas didapatV = E I (R+jX+R)22222

LV = E I [( R + R ) + jX ]

................................... ( 2.18 )

2222L2X2tg=.......................................................... ( 2.19)2R+R2LUntuk melukiskan diagram vektornya, maka diambil E2 sebagai dasarnya. Didapat harga E1 = a E2

o

I1

I1R 1

1-E1I1X1

V1

IoIm

-I22

I h + e

E1 E2

V2 I2X2I2 ( R2 + RL )

Gambar 2.18 Vektor diagram Transformator berbeban tahanan murni

II.5.2.2Beban Induktif


Apabila transformator berbeban induktif, berarti pada sekunder transformator

terdapat R2+ jX2 dan RL+ jXL. Dengan adanya harga-harga tersebut akanmenyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan Es sebesar 2. Dimana

tg

2

X=

2

+ X

L

......................................................... ( 2.20)

R+R2LDan dengan adanya harga-harga tersebut diatas juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2 sebesar 2, dimana

tg

2

X=R

L

L

.................................................................. (2.21 )

Oleh karena beban induktif, maka I2 ketinggalan terhadap E2. Dengan mengambil E2 sebagai dasar melukiskan diagram vektor dan harga E1 = a E2 , maka diagram vektor dapat dilukiskan sebagai berikut :

o

I1IoIm

I1R1-E1I1X 1

1

-I2 E1 E2

2I2V1I h + e

2I2RL

V2

I2X2I2R2I2XL

Gambar 2.19 Vektor diagram Transformator berbeban induktif

II.5.2.3Beban Kapasitif


Dengan adanya beban kapasitif pada transformator menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan E2 sebesar 2.

tg

2

X=

L

X

2

......................................................... ( 2.22 )

R+R2LDan juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2 sebesar 2.

tg

2

X =R

L

L

............................................................... ( 2.23 )

o

I2RL

I2

IoI2XLIm

I1R1 -E1

2o 2

E1

E 2

I1I1X1V 1-I2

1

Ih + e

V2

I2X2

I2R2

Gambar 2.20 Vektor diagram Transformator berbeban kapasitif

II.6 TRANSFORMATOR TIGA FASA

II.6.1 UMUMTiga transformator berfasa satu dapat dihubungkan untuk membentuk bank-3 fasa (susunan 3 fasa = 3 phase bank) dengan salah satu cara dari berbagai cara menghubungkan belitan transformator. Pada tiga buah transformator satu fasa yang dipakai sebagai transformator tiga fasa setiap kumparan primer dari satu


transformator dijodohkan dengan kumparan sekundernya. Hendaknya dicatat bahwa pada transformator tiga fasa ini besar tegangan antar fasa (VL-L) dan daya transformator (KVA) tidak tergantung dari hubungan belitannya. Akan tetapi tegangan fasa netral (VL-N) serta arus dari masing-masing transformator tergantung pada hubungan belitannya.Ada beberapa jenis hubungan belitan yang terdapat pada transformator tiga fasa ini. Hubungan Y- biasa digunakan untuk menurunkan tegangan, dari tegangan tinggi ke tegangan menengah atau rendah. Satu diantara alasannya adalah karena dengan menggunakan hubungan belitan ini untuk membumikan dari sisi tegangan tinggi telah tersedia saluran netral. Dapat dibuktikan bahwa hubungan belitan ini adalah hubungan yang paling banyak dipergunakan di lapangan.Sebaliknya hubungan -Y biasa digunakan untuk menaikkan tegangan, dari tegangan rendah ke tegangan menengah, atau dari tegangan menengah ke tegangan tinggi. Hal ini juga bertujuan sama, agar pada sisi tegangan tingginya apabila akan dibumikan telah tersedia saluran netralnya.Hubungan - adalah salah satu jenis hubungan belitan yang istimewa. Keuntungannya yaitu salah satu kaki transformator dapat dipindahkan apabila terjadi kerusakan atau apabila akan dilakukan perawatan, sementara dua yang tertinggal dapat terus beroperasi sebagai bank-3 fasa dengan rating KVA yang turun sampai dengan 57,7% dari bank yang asli. Hubungan ini dikenal sebagai hubungan belitan Open-Delta. Hubungan Y-Y paling jarang digunakan karena kesukaran dalam gejala arus penalaan dan harmonisa.


II.6.2 KONSTRUKSI TRANSFORMATOR TIGA FASA DENGAN MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASAUntuk mengurangi kerugian yang disebabkan oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis. Dua jenis konstruksi yang biasa dipergunakan diperlihatkan pada gambar 2.21 dan 2.22 berikut ini.

PRIMER

SEKUNDER

Gambar 2.21 Transformator 3 Fasa Tipe Inti


TRAFO TIGA FASA TIPE CANGKANG

ab

dc

PRIMER

SEKUNDER

nm

rq

Gambar 2.22 Transformator 3 Fasa Tipe CangkangDalam jenis inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi. Dalam jenis cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon-steel. Umumnya digunakan untuk transformator yang bekerja pada frekuensi dibawah beberapa ratus Hz. Silikon-steel memiliki sifat-sifat yang dikehendaki yaitu murah, rugi inti rendah dan permeabilitas tinggi pada rapat fluks tinggi. Inti transformator yang dipergunakan dalam rangkaian komunikasi pada frekuensi tinggi dan tingkat energi rendah, kadang-kadang dibuat dari campuran tepung ferromagnetik yang dimanfaatkan sebagai permalloy.


Kebanyakan fluks terkurung dalam inti dan karena itu dirangkum oleh kedua kumparan. Meskipun fluks bocor yang dirangkum salah satu kumparan tanpa dirangkum yang lain merupakan bagian kecil dari fluks total, ia mempunyai pengaruh penting pada perilaku transformator. Kebocoran dapat dikurangi dengan membagi-bagi kumparan dalam bagian-bagian yang diletakkan sedekat mungkin satu sama lainnya. Dalam konstruksi jenis inti (core type), tiap kumparan dari dua bagian, satu bagian pada setiap kaki dari kedua kaki inti. Kumparan primer dan sekunder merupakan kumparan yang konsentris. Dalam konstruksi janis cangkang (shell type) berbagai variasi susunan kumparan konsentris dapat digunakan atau kumparan dapat terdiri dari sejumlah apem (pancake) tipis disusun dalam satu tumpukan dengan kumparan primer dan sekunder berselang-seling.

II.6.3 HUBUNGAN TIGA FASA DALAM TRANSFORMATORSecara umum hubungan belitan tiga fasa terbagi atas dua jenis, yaitu hubungan wye (Y) dan hubungan delta (). Masing-masing hubungan belitan ini memiliki karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda, selanjutnya akan dijelaskan dibawah. Baik sisi primer maupun sekunder masing-masing dapat dihubungkan wye ataupun delta. Kedua hubungan ini dapat dijelaskan secara terpisah, yaitu :1. Hubungan wye (Y)Hubungan ini dapat dilakukan dengan menggabungkan ketiga belitan transformator yang memiliki rating yang sama.


IA

Z01E1INE1 E1Z01 Z01IB

ICGambar 2.23 Hubungan Wye Dari gambar diatas dapat diketahui sebagai berikut,

A

N

B

C

IA = IB = IC = IL-L (ampere)( 2.24 )

IL-L = Iph (ampere)....( 2.25 )Dimana :IL-L = Arus line to lineIph= Arus line to netralDan,VAB = VBC = VCA = VL-L (volt

VL-L = 3 Vph = 3 E1 (volt)(2.26)Dimana :VL-L = Tegangan line to lineVph = Tegangan line to netral

2. Hubungan delta ()Hubungan delta ini juga mempunyai tiga buah belitan dan masing-masing memiliki rating yang sama.


E 1

E1

IaZ01

E1IbZ01

Ic

Gambar 2.24 Hubungan Delta

A

B

C

Dari gambar diatas dapat kita ketahui sebagai berikut,

IA = IB = IC = IL-L (ampere)..( 2.27 )IL-L = 3 Iph (ampere).( 2.28 )Dimana :IL-L = Arus line to lineIph= Arus line to netralDan,VAB = VBC = VCA = VL-L (volt)...( 2.29 )

VL-L = Vph = E1 (volt)..( 2.30 )Dimana :VL-L = Tegangan line to lineVph = Tegangan line to netralDengan menetapkan/ mengambil sebuah tegangan referensi dan sudut fasa nol, maka dapa ditentukan sudut phasa yang lainnya pada sistem tiga fasa tersebut.

II.6.4 JENIS-JENIS HUBUNGAN BELITAN TRANSFORMATOR TIGA FASA


Dalam sistem tenaga listrik transformator tiga phasa digunakan karena pertimbangan ekonomis dan efisien. Pada transformator tiga phasa terdapat dua hubungan belitan utama yaitu hubungan delta dan hubungan bintang. Dan ada empat kemungkinan lain hubungan transformator tiga phasa yaitu :1.Hubungan Wye-Wye ( Y-Y )Hubunangan ini ekonomis digunakan untuk melayani beban yang kecil dengan tengangan transformasi yang tinggi. Hubungan Y-Y pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 2.25 berikut ini.

a

b +

VLP Vp

c -

Np1

Np2

Np3

Ns1

Ns2

Ns3

a'

+ b'

Vs VLS

+ c'

Gambar 2.25 Transformator Hubungan Y-Y

Pada hubungan Y-Y , tegangan primer pada masing-masing phasa adalah

V=V/3..( 2.31)PLPTegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah:V3V

LPV LS

=

P3V

=a ...( 2.32 )

SHotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

Pada hubungan Y-Y ini jika beban transformator tidak seimbang maka tegangan pada phasa transformator tidak seimbang.

2.Hubungan Wye-Delta ( Y- )Digunakan sebagai penurun tegangan untuk sistem teganagan tinggi. Hubungan Y- pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 3.6 berikut ini.

a

VpVLP

a'

Np1 Ns1V

Vs

b b'

Np2 Ns2

c c'

N

LS

Np3

s3

Gambar 2.26 Transformator Hubungan Y-

Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan

phasa primer V = 3V

dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan

LPPtegangan phasa VLS = VS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada

hubungan ini adalah sebagai berikut:

V3V

LPV

=

PV

= 3 a( 2.33 )

LSSHubungan ini lebih stabil dan tidak ada masalah dengan beban tidak seimbang dan harmonisa.Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

3.Hubungan Delta - Wye ( - Y )Umumnya digunakan untuk menaikkan tegangan dari tegangan pembangkitan ke tegangan transmisi. Hubungan - Y pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 3.7 dibawah ini.

a +

VLP

b -

c

Np1Vp

Np2

Np3

Ns1

Ns2

Ns3

+ a'

Vs

VLSc'

- b'

Gambar 2.27 Transformator hubungan - Y

Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa

primer VLP = VP dan tegangan sisi sekunder

V = 3V . Maka perbandingan

LSStegangan pada hubungan ini adalah :

VV3

LPV LS

=

P3V

=

a

...( 2.34 )

SHubungan ini memberikan keuntungan yang sama dan beda phasa yang sama seperti pada hubungan Y- .

4.Hubungan Delta-Delta ( - ).


Hubungan ini ekonomis digunakan untuk melayani beban yang besar dengan tegangan pelayanan yang rendah. Hubungan - ini pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 2.28 berikut :

a + + a'

V Np1 Ns1

VLS

LP Vp

V

sb -- b'

Np2Ns2

cc'

N

Np3

s3

Gambar 2.28 Transformator hubungan - Salah satu keuntungan pemakaian transformator tiga fasa hubungan - adalah perbedaan phasa pada hubungan ini tidak ada dan stabil terhadap beban tidak seimbang dan harmonisa. Selain itu keuntungan lain yang dapat diambil adalah apabila transformator ini mengalami gangguan pada salah satu belitannya maka transformator ini dapat terus bekerja melayani beban walaupun hanya menggunakan dua buah belitan saja. Hubungan belitan yang dimaksud adalah hubungan belitan Open-Delta. Mengenai hubungan belitan Open-Delta ini selanjutnya akan dijelaskan pada bab ini.Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat dan tegangan phasa sama untuk primer dan sekunder transformator VAB = VBC = VAC = VLN. Maka hubungan tegangan primer dan sekunder transformator adalah sebagai berikut :VL-L = VL-N (volt)( 2.35 )


VAB = VBC = VAC (volt)( 2.36 )Dimana : VL-L = Tegangan line to line VL-N = Tegangan line to netralSedangkan arus pada transformator tiga fasa hubungan delta dapat dituliskan sebagai berikut :

IL-L =3 IL-N (ampere)( 2.37 )Dimana : IL-L = Arus line to line IL-N = Arus line to netral


BAB IIITRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA DAN EFISIENSI TRANSFORMATORIII.1 UMUMTrasformator tiga fasa hububngan open delta adalah transformator tig fasa dengan dua kumparan atau transformator bank tiga fasa yang terdiri dari dua buah transformator satu fasa. Hubungan belitan open delta erat kaitannya dengan hubungan belitan delta karena hubungan belitan open delta merupakan modifikasi dari hubungan belitan delta yang dilakukan jika salah satu belitannya mengalami kerusakan atau tidak dapat melayani beban, maka sisa dua belitan lainnya dapat dioperasikan untuk menyalurkan daya, yang dikenal dengan nama Transformator Open-Delta

A B CA

Ba b c

C

a

b

c


Gambar 3.1. Transformator Hubungan Delta

A B

a b c

CA a

B b

C c

Gambar 3.2. Transformator Hubungan Open-DeltaSekalipun besar daya yang dapat dilayani harus dikurangi beberapa persen dari rating KVA transformator tiga fasa hubungan delta-nya, hubungan belitan ini mempunyai peranan yang sangat penting dalam pengiriman daya ke beban agar kontinuitas beban diperoleh dengan baik untuk sementara sehingga sistem bekerja terus menerus sampai ada perbaikan atau pergantian yang baru.III.2 PEMAKAIAN TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTAPemakaian transformator tiga fasa hubungan Open-Delta umumnya hanya dipergunakan untuk sementara. Yaitu apabila transformator yang mengalami kerusakan tersebut akan diperbaiki atau diganti dengan transformator yang baru.


Disamping bersifat sementara (temporer) transformator ini dapat juga bekerja secara permanen.1. TemporerTelah kita ketahui bahwa pada beberapa industri sangat diperlukan kontinuitas daya yang baik. Tetapi apabila salah satu belitan dari transformator tiga fasa ini mengalami gangguan dan menyebabkan kedua belitan yang lainnya bekerja tidak seimbang sehingga fasa-fasa yang tadinya stabil menjadi tidak stabil. Hal ini menyebabkan pengiriman daya terganggu dan kerugian yang sangat besar akan dialami oleh konsumen. Dengan demikian hubungan belitan Open-Delta memegang peranan penting dalam kejadian ini. Pada kejadian ini perubahan belitan pada inti tidak perlu dilakukan untuk mengurangi lekage impedance untuk memperoleh sistem lebih seimbang. Hubungan ini dapat dipakai sementara sebelum adanya pergantian transformator baru atau perbaikan belitan yang rusak apabila memungkinkan.2. PermanenPada suatu industri yang besar biasanya ada menggunakan penerangan-penerangan dan motor-motor kecil untuk dapat menggerakkan peralatan-peralatan industri yang tersendiri, misalnya pemompaan minyak. Transformator hubungan Open-Delta ini cukup mampu untuk pengiriman daya yang dibuat khusus, karena industri itu cukup mempunyai tenaga teknis untuk itu dan dipandang lebih ekonomis jika dibandingkan dengan pemakaian transformator tiga fasa. Keuntungan yang paling besar adalah sistem dapat lebih seimbang kalau dibandingkan dengan tidak dibuat satu transformator khusus untuk melayani beban ini, sebab belitan konduktor


pada inti dapat dibuat sehingga leakage impedance menjadi lebih kecil dan akhirnya dapat mendekati keseimbangan seperti transformator tiga fasa.Disamping hal-hal diatas hubungan open delta juga dilakukan jika beban yang dilayani sekarang terlalu kecil dibandingkan dengan kapasitas transformatornya, tetapi perlu diantisipasi pertumbuhan beban dimasa yang akan datang.III.3 TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA DALAM KEADAAN BERBEBAN.III.3.1 Jenis-jenis Beban

III.3.1.1 ResistansiPada unsur beban ini tegangan antara kutub-kutubnya berbanding lurus dengan arus yang melaluinya. Secara kuantitatif, tegangan diberikan oleh :V = R i( 3.1 )Persamaan ini dikenal sebagai hukum Ohm. Benda fisis yang ciri utamanya resistansi disebut resistor. Grafik v dan i dapat diperlihatkan pada Gambar 3.3 dibawah.Dimana Grafik ini berupa sepotong garis lurus melalui titik asal dengan kemringan R. Karena R merupakan konstanta maka resistor seperti ini disebut resistor linier.


V(Volt)

-I I(amper e)

-V

Grafik 3.3 Perwakilan grafik untuk hukum ohmResistor yang resistansinya tidak tetap konstan untuk berbagai arus yang berbeda dikenal sebagai resistor tidak liniear. Resistansi dari resistor semacam itu merupakan fungsi arus yang mengalir didalamnya. Salah satu contoh sederhana dari resistor ini adalah lampu pijar. Contoh karakteristik tegangan - arus untuk resistor tidak liniear dapat diperlihatkan pada Gambar. 3.2, dimana tampak bahwa grafiknya bukan lagi merupakan sepotong garis lurus karena R tidak konstan.

VVolt

IAmpere

Gambar 3.4 Grafik resistor tidak liniearParameter resistansi pada dasarnya merupakan suatu konstanta geometri. Ohm menunjukkan bahwa resistansi suatu penghantar dengan dimensi yang seragam


berbanding lurus dengan panjangnya, berbanding terbalik dengan luas penampangnya, dan bergantung pada sifat penghantaran fisis bahannya. JadilR= ( 3.2 )ADengan adalah resistifitas bahan yang dinyatakan dalam ohm-meter, l sebagai panjang penghantar dalam meter, dan A sebagai luas penampangnya dalam meter kuadrat.Daya yang dipergunakan dalam rangkaian listrik dapat diperoleh dari tegangan dan arusnya. Karena menurut definisi v = dw / dq dan i = dq / dt , maka daya adalah :

.....( 3.3 )

Dalam resistansi, sesuai dengan persamaan 3.1

P = v i = ( R i ) i = i2 R =......( 3.4 )

III.3.1.2InduktansiPada induktor tegangan antara kutub-kutubnya sebanding dengan kecepatan perubahan arus yang melaluinya. Secara kuantitatif, tegangan tersebut adalah

v = L

1

didt

.................................................................. (3.5 )

i =

L

v dt ........................................................... ( 3.6 )

Persamaan diatas menunjukkan bahwa arus dalam induktor tidak bergantung pada nilai sesaat tegangannya, melainkan pada nilai sejak awal hingga saat tegangan


diamati, yaitu integral atau jumlah hasil kali volt detik untuk seluruh waktu hingga saat diamati.Suatu induktor linier adalah induktor yang parameter induktansinya tidak bergantung pada arusnya. Sebagaimana diuraikan diatas, induktansi berhubungan erat dengan medan magnet, induktor merupakan suatu unsur rangkaian yang dapat menyimpan daya dalam bentuk medan fluks magnet. Pada saat arus mengalir melalui suatu induktor, arus itu menimbulkan fluks ruang. Bila fluks itu menembus udara, ia akan menimbulkan suatu kesebandingan antara arus dengan fluks tersebut sehingga parameter induktansi tetap konstan untuk setiap nilai arus. Selisih potensial antara kumparan sebagai fungsi waktu dapat ditunjukkan pada Gambar 3.5

V

di dt

-V

Gambar 3.5 Grafik parameter induktansi LBila fluks dibuat agar menembus besi, timbul gangguan terhadap kesebandingan hubungan antara arus dengan fluks yang dihasilkannya. Dalam hal itu induktor dikatakan tak linier.Daya yang berhubungan dengan induktansi dalam rangkaian adalah


dip = vi = Li(3.7 )dtDan kerjanya

w =

pdt =

diLidt

dt =

1Lidi =2

Li

2

joule ( 3.8 )

Tidak seperti daya dalam resitansi yang berubah menjadi panas, daya induktif disimpan dalam medan magnet yang akan muncul kembali dalam rangkaian pada saat arus menjadi nol.Tegangan jatuh antara kutub suatu induktor dapat dinyatakan menurut persamaan ( 3.5 ), tetapi tegangan jatuh yang sama dapat diturunkan menurut hukum Faraday melalui fluks yang dihasilkan arus dan banyaknya lilitan N pada kumparan induktor. Sesuai dengan hal itu, dapatlah ditulis

v = L

didt

= N

ddt

........................................................... ( 3.9 )

L = N

ddt

..................................................................... ( 3.10 )

Dalam hal ini fluks berbanding lurus dengan arus ( yaitu dalam induktor linier), persamaan terakhir ini menjadi :NL = ........................................................................ ( 3.11 )iDisini parameter induktansi mempunyai pernyataan gabungan karena sebagian dinyatakan dalam variabel rangkaian i dan sebagian lagi dalam variabel medan fluks. Untuk menghindari hal tersebut fluks dapat digantikan oleh pernyataan setaranya, yaitu


=

Ni

=

ggmreluk tansi magnet

....................................... ( 3.12 )

ggm adalah gaya gerak magnet yang menghasilkan fluks dalam rangkaian magnet yang mempunyai reluktansi .Gambar 3.4 memperlihatkan sebuah inductor liniear dengan inti besi. Jika inti besi diandaikan mempunyai panjang menengah/meter dengan luas penampang A meter2 , maka reluktansi magnetnya sama dengan

=

lA

N

( 3.13 )

Gambar. 3.6 Induktor liniear dengan inti besiDengan memasukkan persamaan ( 3.12 ) dan ( 3.13 ) kedalam persamaan ( 3.11 ) akan dihasilkan persamaan induktansi untuk induktor liniear :

L =

N

2

A

( 3.14 )

lSeperti halnya dengan resistansi, induktansi juga bergantung pada geometri dimensi fisis dan sifat magnet mediumnya. Hal ini penting karena ia menyatakan apa yang dapat dilakukan untuk mengubah nilai L tersebut. Jadi untuk induktor yang meliliti sebuah inti besi, parameter induktansinya dapat dinaikkan nilainya dengan empat cara : memperbanyak lilitannya, menggunakan inti besi dengan permiabilitas yang lebih tinggi, mengurangi panjang intinya, dan memperbesar luas penampang intinya.


III.3.1.3KapasitansiPada kapasitor arus yang melaluinya sebanding dengan turunan waktu tegangan antara kutub-kutubnya. Secara kuantitatif, arus tersebut adalah

i= C

dvdt

....................................................................... ( 3.15 )

Tegangan unsur tersebut dapat diturunkan dari persamaan 3.17 diatas sebagai

v =

1C

idt ................................................................... ( 3.16 )

Tegangan jatuh pada arah arusnya dinyatakan oleh v. Bila induktansi melawan perubahan arus, kapasitansi menentang perubahan tegangan. Daya yang berhubungan dengan pengaruh kapasitansi adalahdvp = vi = Cv( 3.17 )dtDan

w =

pdt =

dvCvdt

dt =

1Cvdv =2

Cv

2

Joule..( 3.18 )

Tenaga yang tersimpan menurut persamaan 3.17 muncul kembali dalam rangkaian pada saat tegangannya menjadi nol.

III.3.2 Rangkaian Beban Tiga Phasa seimbangYang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana:

1. Ketiga vektor arus atau tegangan sama besar

2. Ketiga vektor saling membentuk sudut 1200 satu sama lain.Rangkaian beban tiga phasa untuk hubungan Y dapat digambarkan seperti

gambar dibawah ini:Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

a a

jX

Sumber Tegangan TigaPhasa bR

nc R R

jX jX

bc

V ABVAN9001200

VCN

VCA

-VCN

300 VBC

VBN

Gambar 3.7 Sistem beban tiga phasa seimbang beserta diagram fasornyaPada keadaan seimbang bahwa impedansi beban pada masing-masing phasanya adalah sama besarnya, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut:

Z

a

=Z

b

=Z

c

= R + jX = Z .................................. ( 3.19 )

Dalam hubungan Y, arus line sama dengan arus phasa, dapat ditentukan dengan:

I

a'a

= I

an

V=Z

V

an

a

............................................................. ( 3.20 )

I

b'b

= I

bn

bn=Z

............................................................. ( 3.21 )

b

I

c'c

= I

cn

V=Z

cn

c

............................................................. ( 3.22 )

Untuk rangkaian beban tiga phasa terhubung delta ( ) dapat dilihat seperti gambar dibawah ini :


Vab

a'

c'Sumber Tegangan Tiga PhasajX

b'

c

a

R

R

jX

RIcc-IbcjX

bVca

-IcaIab

Ica

Iaa

VbcIbc-IabIbb

Gambar 3.8 Beban tiga phasa seimbang hubungan dan diagram fasornya Pernyataan arus beban untuk hubungan menjadi

I

I

ab

V=Z

V=

ab

ab

bc

.( 3.23 )

...( 3.24 )

bc

Z

bc

I

ca

V=Z

ca

...( 3.25)

ca

Arus saluran Iaa diperoleh dengan menerapkan hukum arus Kirchoff yaitu:

Iaa= Iab + Iac = Iab - Ica( 3.26 )Ibb= Iba + Ibc = Ibc - Iab( 3.27 )Icc= Ica + Icb = Ica - Ibc(3.28 )

III.3.3 Rangkaian Beban Tiga Phasa Tidak Seimbang


Yang dimaksud dengan keadaan tidak seimbang adalah keadaan dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak terpenuhi. Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu:1. Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain.2. Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 1200 satu sama lain.3. Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain.Penyelesaian beban tak seimbang untuk hubungan delta dapat disamakan dengan keadaan seimbang. Sedangkan untuk hubungan bintang penyelesaiannya adalah sebagai berikut:Pada sistem 4 kawat, masing-masing fase akan mengalirkan arus yang tak seimbang menuju Netral (pada sistem empat kawat). Sedangkan pada sistem tiga kawat akan mengakibatkan tegangan yang berubah cukup signifikan dan meunculkan suatu netral yang berbeda dari netral yang semestinya.

a

Vann

Vbn Ib

bVcnc

a

Ia

Zbb

Za

Zc

I c

c

a

b

V bcc

Ia

V ab

IbIc

a

ZaI1

Zc

Zbb I2

c

Gambar 3.9 Beban tak seimbang terhubung bintang empat kawat dan tiga kawat


Pada sistem dengan empat kawat, akan berlaku :

I

I

I

a

b

c

V=Z

V=Z

V=Z

an

a

bn

b

an

c

..(3.29)

..(3.30)

...(3.31)

I

n

= (I

a

+ I

b

+ I

c

) ..(3.32)

Sedangkan pada sistem tiga kawat, diselesaikan dengan persamaan loopsebagai berikut :

Loop 1: ( Z +Z ) I Z I =Va b 1 2 2 ab

Loop 2: Z I + ( Z +Z ) I =V

(3.33)

(3.34)

21232bcDari persamaan 3.33 dan 3.34dapat dicari harga I1 dan I2, kemudian arus-arus line dapat dicari dengan:Ia = I ........................................................................(3.35)1I=II..................................................................(3.36)b21

Ic = I

2

........................................................................(3.37)

Sedangkan besar tegangan pada setiap impedansi beban adalah:

V=IaZ..................................................................(3.38)

a0

Vb0

= IbZ

1

2

..................................................................(3.39)

V=IcZ................................................................(3.40)c03


III.4 Daya Pada Transformator Tiga Phasa Hubungan Open DeltaSecara umum daya sesaat pada suatu sumber sinusoida satu phasa juga berbentuk sinusoida dengan frekwensi dua kali frekwensi sumbernya.p=VICos VICos2.................................( 3.41 )Persamaan 3.40 di atas dapat diterapkan pada setiap phasa dalam suatu sistem tiga phasa seimbang. Satu-satunya perubahan yang diperlukan adalah adanya pergeseran phasa 120o di antara phasa-phasanya itu. Sesuai dengan hal tersebut, untuk masing-masing phasa dapat ditulis :

P =V I Cos V I Cos (2t )

......................( 3.42 )

aPb

Pc

=V

=V

p p pI Cos Vp p p

I Cos Vp p p

I

I

p

p

p

Cos (2t

Cos (2t

o 120

o 240

) .............( 3.43 )) .............( 3.44 )

Dengan phasa a dipilih sebagai phasa acuan, Vp dan Ip menyatakan nilai-nilai efektiftegangan phasa, dan arus phasanya serta menyatakan sudut impedansi beban tigaphasa seimbang yang menyerap daya. Jadi daya sesaat keseluruhannya adalah:

P = Pa

+

Pb

+

Pco o

P =3VI CosVI[Cos(2t) +Cos(2t 120)+Cos(2t 240)]p pppP =3V ICos...............................................................................(3.45)ppUntuk suatu sistem tiga phasa yang dihubungkan secara Y, dengan memasukkan persamaan 2.25 dan 2.26, maka persamaan 3.45 menjadi

VP =3

lI Cosl

= 3

V I Cosl l

....( 3.46 )

3Untuk hubungan , dengan menggunakan persamaan 2.28 dan 2.30 maka didapatkan


IlP =3V

Cos = 3 V I Cos

...( 3.47 )

l3

l l

Tampak bahwa kedua pernyataan diatas menunjukkan bahwa daya dalam suatu sistem tiga phasa adalah sama, baik untuk hubungan Y ataupun bila dayanya dinyatakan dalam besaran-besaran saluran ( line ). Tetapi perlu diingat bahwa menyatakan sudut impedansi beban perphasa.Untuk menentukan daya pada transformator open delta maka perlu diperhatikan vektor tegangan dan vektor arusnya. Dengan mengubah hubungan kumparan transformator menjadi hubungan open delta maka tegangan tiga fasanya adalah tetap. Misalkan tegangan pada dua kumparan yang tersisa adalah : VAB= VL 1200 dan VBC = VL 00 maka:

A

Np1Np2 Ns2B C

I bc

IaNs1Iab

IbIc

a

Vab Va

b

V bcc

BEBAN3PHASA

Gambar 3.10 Transformator Open delta berbeban

V=VVCAABBC

=V120

0

V0

0

= 0.5 V j0,866V V

= 0.5 V =V240

j0,866 V 0

Jika transformator tersebut melayani beban tiga fasa resistif yang seimbangmaka vektor arus dan tegangannya digambarkan sebagai berikut:Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

Vab

Iab300Ibc

300

Vca

Vbc

Gambar 3.11 Diagaram fasor tegangan dan arus pada Transformator Open deltaDari diagram fasor diatas terlihat bahwa arus fasa Iab tertinggal dari tegangan Vab sebesar 300 sedangkan arus fasa Ibc mendahului Vbc sebesar 300. Hubungan arus fasa dan arus saluran adalah sebagai berikut:Ia = Iab(3.48)Ic = Ibc ...(3.49) Ib = - Iab - Ibc .(3.50) Sehingga besar daya pada transfrmator open delta adalah:

P

=V I Cosp p0

P1 = V I Cospp( 30)

..................................................................(3.51)

P2

0=V I Cos (30p p

)

..................................................................(3.52)

Sehingga

P = P1 + P 2 P = 3 V I

.............................................................(3.53)

ppHotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

Daya reaktifnya adalah:

.................................................................(3.54)

.............................................................. (3.55)Dari persamaan diatas terlihat bahwa pada transformator open delta kapasitasnya jika dibandigkan dengan transformator delta-delta akan berkurang yaitu menjadi 57,7 % nya. Besar kapasitasnya tidak sama dengan penjumlahan kapasitas kedua transformator 1 phasa tetapi hanya 86,6 % nya. Hal ini dapat dibuktikan dengan persamaan-persamaan berikut ini:

Kapasitas=3VI

LL L

= 3 V ( 3 I ) =

3 V I ) (3.56)

LLPLLPPada hubungan open delta arus line sekundernya sama dengan arus fasa sekundernyasehingga:

Kapasitas V V = 3

V I = 3 V I ) (3.57)

LL LLLPDengan membandingkan kedua persamaan diatas, maka didapat :

S1

VS

V= = 0.577- 3 atau = 57.7% (3.58)

dimana :S- = rating kVA transformator hubungan DeltaSV-V = rating kVA transformator hubungan Open-Delta VL-L = tegangan fasa ke fasa, kV


IL= arus saluran, ADua buah belitan dari transformator hubungan Open-Delta seharusnya dapat menyuplai 66,6 persen dari kapasitas total transformator hubungan delta, tetapi kedua belitan tersebut hanya dapat menyuplai 57,7 persen dari kapasitas total transformator. Jadi dari perbandingan rasio transformator 57,7/66,6 = 0,866 disebut juga dengan faktor utilitas dari kedua belitan transformator ketika dalam keadaan berbeban. Dengan dioperasikan seperti ini, transformator masih dapat mengirim daya tiga fasa dengan urutan belitan yang sama, tetapi kapasitas dari transformator berkurang hingga 57,7 persen dari kapasitas total transformator ketika terhubung delta. Misalnya transformator delta-delta bekerja pada beban nominalnya, jika taransformator tersebut dirubah menjadi open-delta dengan beban yang sama seperti sebelumnya, maka sisa kedua transformator akan mengalami overload/ beban lebih masing-masing sebesar 73,2 % yaitu dari:

Total beban hubungan V V VA Masing masing Transformaor

=

3 VLL I pVLL I p

= 3

=1.732 =173,2%Sehingga untuk mencegah terjadinya kerusakan pada transformator maka bebannya harus dikurangi.

III.5 Transformator Open Delta dalam Keadaan Tidak SeimbangKeadaan tidak seimbang yang dimaksud disini adalah keadaan yang diakibatkan oleh ketidakseimbangan pada beban yang dilayani oleh transformator open delta dengan sumber daya tiga fasa yang seimbang, Jika transformator open


delta dibebani tidak seimbang maka arus-arus fasanya akan tidak seimbang yang mengakibatkan tegangan sekundernya tidak seimbang. Perubahan besar tegangan Vab dan Vbc ini seiring dengan masing-masing verktor emfnya yaitu Iab Zsh dan Ibc Zsh yang menghasilkan Vab dan Vbc yang dapat digambarkan sebagai berikut:

Vab-Iab rsh-Iab xsh

-Vbc

-Iab zshVab

Iab

Ibc

Vbc

-Ibc zshVbc

-Ibc x sh-Ibc rsh-Vca-Vab VcaGbr.3.12 Vektor Tegangan dan Arus Transformator Open delta pada keadaan Tidak SeimbangIII.6 RUGI - RUGI DAN EFISIENSIRugi-rugi pada transformator dapat digambarkan seperti pada blok diagram dibawah ini:

Pin

Rugi Tembaga

Kumparan Fluksprimer Bersama

Rugi Tembaga

Kumparan PoutSekunder


Rugi Besi Histeresis Dan Eddy CurrentGambar 3.13 Blok diagram rugi - rugi pada transformator.

1II.6.1 Rugi tembaga ( Pcu )Rugi yang disebabkan arus mengalir pada kawat tembaga dapat ditulis sebagai berikut :Pcu = I2 R (watt)(3.59)Formula ini merupakan perhitungan untuk pendekatan.Karena arus beban berubah - ubah, rugi tembaga juga tidak konstan bergantung pada beban. Dan perlu diperhatikan pula resistansi disini merupakan resistansi AC.

III.6.2 Rugi besi ( Pi )

Rugi besi terdiri atas : Rugi histerisis, yaitu rugi yang disebabkan fluks bolak - balik pada inti besi yang dinyatakan sebagai :Ph = kh f Bmaks1.6 ( watt )(3.60)Kh= konstantaBmaks = Fluks maksimum ( weber )

Rugi arus eddy , yaitu rugi yang disebabkan arus pusar pada inti besi. Dirumuskan sebagai :Pe = ke f2 B2maks(3.61)


Ke= KonstantaBmaks = Fluks maksimum (weber) Jadi, rugi besi ( rugi inti ) adalah :Pi = Ph + Pe(3.62)

III.6.3 EfisiensiEfisiensi merupakan perbandingan antara daya keluar dengan daya masuk Efisiensi dinyatakan sebagai :

=

PP

out

in

......................................................................(3.63)

P rugi

=

Pout

out+ rugi rugi

=1

.................. (3.64)daya masuk

dimana : Pin = Daya input transformator Pout = Daya output transformator rugi = Pcu + Pi

III.6.3.1 Perubahaan efisiensi terhadap bebanPerubahaan efisiensi terhadap beban dinyatakan sebagai :

= V

V2 cosPcos + I R +

............................................ (3.65)1

2 2 2ek

Agar n maksimum maka,

d P

I

2

I R

i+ = 0

dl2

2 2ek

I 2


PIR=2ekI22P=IR=P..........................................................(3.66)i22ekcuArtinya untuk beban tertentu, nilai efisiensi maksimum terjadi ketika rugi tembaga sama dengan rugi inti.

III.6.3.2 Perubahan efisiensi terhadap factor kerja (Cos ) bebanPerubahan efisiensi terhadap factor kerja (Cos ) beban dapat dinyatakan sebagai :

=

V I2

rugicos + rugi2rugi/V I

...................................................(3.67)

=

2 2Cos + rugi/V I

................................................(3.68)

22Jika X = rugi / V2 I2 = konstan

X

=1

cos + X

..........................................................(3.69)

Hubungan antara efisiensi dengan beban pada Cos bisa dilihat pada gambar di bawah:

Gambar 3.14 Kurva perubahan efisiensi terhadap faktor kerja


III.6.3.3 KONDISI UNTUK EFISIENSI MAKSIMUMSeperti dijelaskan diatas bahwa:

Rug-rugi tembaga Cu loss =

2I

R

101Rugi-rugi inti besiPi = rugi histerisis + rugi arus eddyPinti = Ph + PeJika ditinjau dari sisi primer P1= V1 I1 Cos 1

ICos losses111Maka efisiensi =VV I Cos111

I Cos

2 I R P

1 1 1 1 01 =VV I Cos

int i

111

IRP

=1

1 01V Cos

int iV I Cos

........................................(3.70)

11111Dengan mendifferensialkan kedua sisi terhadap I1 maka kita mendapatkan

dRP

=

01 inti0 +

...................................(3.71)

dIV Cos V I2Cos

1 1Untuk efisiensi maksimum,

R

ddI

P

1 1 1 1= 0, maka persamaan diatas menjadi:1

01

=

inti

.................................................(3.72)

V Cos V I2Cos11111

2MakaP=IR,(3.73)int i1012atauP=IR................................................................(3.74)inti202atauRugi-rugi tembaga = Rugi-rugi inti besi.Dapat disimpulkan arus sekunder pada efisiensi maksimum adalah


I

2

P=R

inti

02

.................................................................(3.75)

Harga arus sekunder ini menyebabkan rugi tembaga sama dengan rugi inti besi. Sehingga dapat dirumuskan:

= Full load x

rugi besi rugi tembaga beban penuh

.............(3.76)

Efsiensi pada beberapa faktor beban dapat ditentukan sebagai berikut:

=

x beban penuh KVA x faktor daya ( x beban penuh KVA x faktor daya + P

x100%......(3.77) + P

ciDimana: = rasio beban penuh

Pi = rugi besi (kW)

Pc = rugi tembaga (kW)

III.6.3.4 Efisiensi Sepanjang HariPada dasarnya efisiensi dari sebuah transformator dirumuskan sebagai berikut:

=

daya output (watt) daya input (watt)

Akan tetapi ada tipe tertentu yang performansinya tidak dapat ditentukan dengan persamaan efisiensi ini.Transformator yang digunakan untuk menyuplai penerangan dan jaringan umum, seperti transformator distribusi yang sisi primernya berenergi sepanjang hari walupun sisi sekundernya tidak berbeban atau hanya memikul sebagian kecil beban saja selama sehari kecuali pada jam-jam penerangan padarumah-rumah. Ini berarti bahwa rugi-rugi inti terjadi sepanjang hari , sedangkan rugi-Hotdes Lumbanraja : Pengaruh Beban Tidak Seimbang Terhadap Efisiensi Transformator Tiga Fasa Hubungan Open-Delta, 2008.USU Repository 2009

rugi tembaga hanya ketika transformator berbeban. Hal ini merupakan pertimbangan yang sangat penting dalam merancang sebuah transformator sehingga diperoleh rugi-rugi inti sekecil mungkin. Performansi transformator seperti ini ditentukan berdasarkan energi yang dikonsumsi selama periode tertetu, biasanya selama 24 jam. Efisiensi ini disebut sebagai efisiesi energi yang dirumuskan sebagai berikut:

=

daya output (kwh) daya input (kwh)

(untuk 24 jam) ......................(3.78)

Efisiensi ini selalu lebih kecil dari efisiensi standar sebuah transformator.Untuk menentukannya harus diketahui siklus beban dari transformator yaitu berapa banyak dan berapa lama transformator dibebani selama 24 jam.

BAB IV

PENGARUH BEBAN TIDAK SEIMBANGTERHADAP EFISIENSI TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA

IV.1 UMUM


Transformator tiga fasa hubungan Open-Delta adalah suatu hubungan belitan khusus pada transformator tiga fasa. Hubungan belitan ini dilakukan apabila pada transformator hubungan Delta salah satu belitannya mengalami kerusakan ataupun jika beban yang dipikul sekarang terlalu kecil tetapi perlu diantisipasi pertumbuhan beban dimasa yang akan datang. Dengan menggunakan dua buah belitannya daya tiga fasa dapat terus disalurkan kepada konsumen walaupun dengan kapasitas daya yang dapat lebih kecil.Penelitian ini dimaksudkan untuk melihat pengaruh beban tidak seimbang terhadap efisiensi transformator tiga fasa hubungan Open-Delta. Penelitian ini dilakukan dengan cara melakukan percobaan dan mengambil data pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.IV.2 PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DIGUNAKAN DALAM PENGUJIAN TRANSFORMATOR TIGA FASAPersamaan yang digunakan dalam menganalisa karakteristik transformator tiga fasa adalah sama dengan analisa karakteristik pada transformator satu fasa, hanya saja besarannya diganti dengan besaran tiga fasa.IV.2.1 Percobaan Beban NolPersamaan yang digunakan dalam menganalisa karakteristik beban nol transformator tiga fasa, terutama adalah rugi-rugi inti transformator tiga fasa tesebut. Sehingga didapat karkteristik rugi-rugi beban nol terhadap kenaikan tegangan. Sedangkan arus beban nol yang mengalir ada dua komponen, yaitu :


1. Arus rugi-rugi inti atau arus penguat yaitu arus yang aktif yang dapat menimbulkan rugi-rugi inti ( Ic = Io Cos ).2. Arus yang timbul karena adanya fluks yang menimbulkan arus eddy dan arus hysteresis yang dikenal dengan arus magnetisasi. ( Im = Io Sin ). Pada keadaan beban nol, Io sangat kecil maka rugi-rugi tembaga pada sisi primer dapat diabaikan, jadi rugi-rugi yang ada praktis hanya rugi-rugi besi. Daya beban nol dapat dihitung dengan persamaanPo = V1 Io Cos ( 4.1 )Dimana,Po = Daya pada beban nol ( rugi-rugi inti ) (watt)V1 = Tegangan input pada sisi primer (volt) Io = Arus beban nol (ampere)Untuk menghitung faktor daya beban nol pada transformator tiga fasa dapat dihitung sebagai berikut :

Cos

o

P=V I

0

............................................................( 4.2 )

10Untuk mencari besar tahanan pada inti besi adalah :

VV

R

c

=I

1c

=I

o

1Cos

...................................................( 4.3 )o

Untuk mencari reaktansi magnetisasi adalah :

VV

X

m

=I

1m

=I

1Sin0 0

...................................................( 4.4 )

Pada keadaan tanpa beban Po = Physteresis + Peddy current V

Dimana Physteresis = K

h

0= , dan Peddy current = Kc V02f


IV.2.2 Percobaan Hubung SingkatDalam percobaan ini terminal sekunder transformator dihubung singkat. Tujuannya agar didapat karakteristik daya hubung singkat yang merupakan rugi-rugi tembaga kumparan belitan transformator. Dan juga karakteristik tegangan jatuh yang terjadi akibat adanya arus hubung singkat.Perhitungan yang digunakan untuk mencari karakteristik hubung singkat tersebut adalah sebagai berikut :Untuk mencari impedansi hubung singkat Dimana R01 = R1 + R2 dan X01 = X1 + X2 Sehingga

Z

01

= R

201

+X

201

=

VscI

...........................................( 4.5 )

1Untuk mencari rug

09e00029

Documents