Download - MAKALAH TRANSFORMATOR
TRANSFORMATOR
OLEH :
MUHAMMAD ALI AL ATASKELAS XII IPA 1
SMA NEGERI 1 GENTENGBANYUWANGI
2010
ABSTRAK
Dewasa ini Indonesia sedang melaksanakan pembangunan di segala bidang.
Seiring dengan laju pertumbuhan pembangunan maka dituntut adanya sarana dan
prasarana yang mendukungnya seperti tersedianya tenaga listrik. Saat ini tenaga
listrik merupakan kebutuhan yang utama, baik untuk kehidupan sehari-hari maupun
untuk kebutuhan industri. Penyediaan tenaga listrik yang stabil dan kontinyu
merupakan syarat mutlak yang harus dipenuhi dalam memenuhi kebutuhan tenaga
listrik. Dalam memenuhi kebutuhan tenaga listrik tersebut, diperlukan sebuah sistem
distribusi yang mampu menyalurkan listrik dari sumber pembangkit menuju ke
sasaran dengan mudah, cepat dan efisien. Salah satu instrument terpenting yang
selama ini digunakan dalam sistem distribusi tersebut adalah transformator. Dalam
prinsipnya, transformator mengubah tegangan yang sangat tinggi dari sumber
pembangkit listrik menjadi tegangan-tegangan yang lebih rendah saat
pendistribusiannya. Transformator dalam hal ini biasanya dipasang pada gardu-
gardu di setiap daerah dimana pendistribusian listrik tersebut berada.
BAB IPENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Dewasa ini Indonesia sedang melaksanakan pembangunan di segala bidang.
Seiring dengan laju pertumbuhan pembangunan maka dituntut adanya sarana dan
prasarana yang mendukungnya seperti tersedianya tenaga listrik. Saat ini tenaga
listrik merupakan kebutuhan yang utama, baik untuk kehidupan sehari-hari maupun
untuk kebutuhan industri. Penyediaan tenaga listrik yang stabil dan kontinyu
merupakan syarat mutlak yang harus dipenuhi dalam memenuhi kebutuhan tenaga
listrik.
Dalam memenuhi kebutuhan tenaga listrik tersebut, diperlukan sebuah sistem
distribusi yang mampu menyalurkan listrik dari sumber pembangkit menuju ke
sasaran dengan mudah, cepat dan efisien. Salah satu instrument yang selama ini
digunakan dalam sistem distribusi tersebut adalah transformator.
Transformator merupakan bagian yang sangat terpenting dari suatu system
pendistribusian tenaga listrik. Hal ini memanfaatkan prinsip kerja dari transformator
yang mampu mengubah tegangan tinggi menjadi tegangan rendah atau sebaliknya.
Dengan prinsip tersebut, tegangan yang sangat besar yang dihasilkan oleh
pembangkit-pembangkit listrik dapat didistribusikan oleh transformator setelah
melalui proses menurunkan tegangan sesuai dengan kebutuhan pelanggan, baik
industri maupun perumahan.
Dalam kehidupan nyata, transformator dapat ditemui hampir diberbagai tempat.
Namun, jarang sekali masyarakat mengetahui apa itu transformator dan apa
fungsinya. Oleh sebab itu, penulis berupaya mengangkat topik yang membahas secara
detail tentang komponen-komponen dalam transformator hingga prinsip kerja dasar
dalam sebuah transformator.
1.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan
Adapun beberapa tujuan dan manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai
berikut :
1. Untuk diajukan sebagai “tugas konduktor” dalam mata kuliah praktikum
pengukuran listrik di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
2. Menambah pengetahuan lebih detail tentang komponen penyusun
transformator, cara kerja transformator hingga contoh penggunaan
transformator.
3. Member pengetahuan kepada masyarakat pada umumnya tentang
transformator yang sangat prnting dalam kehidupan sehari-hari.
1.3. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar yang penulis paparkan maka didapat rumusan masalah
sebagai berikut :
1. Apakah pengertian dasar dari Transformator?
2. Apa saja komponen-komponen yang ada dalam transformator?
3. Bagaimana prinsip kerja transformator?
4. Bagaimanakah pengklasifikasian transformator?
5. Bagaimanakah cara untuk menghitung efisiensi sebuah transformator?
BAB IILANDASAN TEORI
2.1. Teori Dasar Transformator
Transformator merupakan suatu alat listrik yang mengubah tegangan arus
bolak-balik dari satu tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet
dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromagnet. Transformator terdiri atas
sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan
primer dan kumparan sekunder.
Penggunaan transformator yang sederhana dan handal memungkinkan
dipilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan serta
merupakan salah satu sebab penting bahwa arus bolak-balik sangat banyak
dipergunakan untuk pembangkitan dan penyaluran tenaga listrik.
Prinsip kerja transformator adalah berdasarkan hukum Ampere dan hukum
Faraday, yaitu: arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan sebaliknya medan
magnet dapat menimbulkan arus listrik. Jika pada salah satu kumparan pada
transformator diberi arus bolak-balik maka jumlah garis gaya magnet berubah-ubah.
Akibatnya pada sisi primer terjadi induksi. Sisi sekunder menerima garis gaya magnet
dari sisi primer yang jumlahnya berubah-ubah pula. Maka di sisi sekunder juga
timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan.
a b c
Gambar 1. a. Bagian-bagian Transformator b. contoh bentuk transformator
c. simbol transformator
BAB IIIPEMBAHASAN
5.1. Komponen Dalam Transformator
Suatu transformator terdiri atas beberapa bagian yang terbagi atas bagian
utama, bagian peralatan bantu dan bagian peralatan proteksi. Berikut merupakan
bagian-bagian tersebut beserta fungsinya masing-masing :
A. Bagian Utama
a) 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”.
b) 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.
c) 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.
d) 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.
e) 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.
f) 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.
B. Bagian Peralatan Bantu
a) 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.
b) tap changer
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.
c) 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.
d) Indikator
Untuk mengawasi selama trafo beroperasi, maka perlu adanya indikator
pada trafo sebagai berikut:
indikator suhu minyak
indikator permukaan minyak
indikator sistem pendingin
indikator kedudukan tap
dan sebagainya.
C. Bagian Peralatan Proteksi
a) 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.
b) 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.
c) 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.
d) 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.
e) 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.
f) rele tangki tanah
Berfungsi untuk mengamankan trafo bila ada hubung singkat antara
bagian yang bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan pada
trafo.
g) rele hubung tanah
Berfungsi untuk mengamankan trafo bila terjadi gangguan hubung singkat
satu phasa ke tanah.
h) 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.
5.2. Klasifikasi Transformator
Transformator mempunyai banyak sekali macam-macamnya, baik berdasarkan
fungsi pemakaiannya, perbandingan jumlah lilitan maupun berdasarkan penyusun
intinya. Klasifikasi tersebut dapat dijabarkan sebagai berikut :
A. Berdasarkan perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder
a) Transformator step up
transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan
bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah
lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer
(Ns > Np).
b) Transformator step down
transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan
bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah
lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder
(Np > Ns).
B. Berdasarkan pemakaianya
a) Transformator elektronik
transformator ini basa digunakan pada peralatan-peralatan elektronik
yang membutuhkan daya DC yang relatif sangat kecil. Sehingga untuk
mensuplai daya tersebut diperlukan adanya transformator yang
mengubah tegangan tinggi dari jala-jala PLN menjadi tegangan rendah
yang dibutuhkan oleh alat tersebut.
b) Transformator tenaga (distribusi)
transformator tenaga 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.
c) Transformator pengukuran
transformator juga dapat digunakan sebagat alat bantu pengukuran.
Dalam hal ini, transformator pengukuran dibagi kembali menjadi dua
jenis, yaitu
Transformator pengukuran tegangan
transformator tegangan digunakan untuk mengukur tegangan.
Dengan mengetahui N1 dan N2, membaca tegangan V2, serta
menganggap transformator ideal maka tegangan V1 adalah :
Pentanahan rangkaian sekunder diperlukan untuk mencegah
adanya beda potensial yang besar antara kumparan primer dan
sekunder (antara titik a dan b) saat isolasi kumparan primer
rusak.
Transformator pengukuran arus
Transformator arus digunakan untuk mengukur arus beban suatu
rangkaian. Dengan menggunakan transformator arus maka arus
beban yang besar dapat diukur hanya dengan menggunakan alat
ukur (ammeter) yang tidak terlalu besar.
Dengan mengetahui perbandingan transformasi N1/N2 dan
pembacaan ammeter (I2) maka arus beban I1 dapat dihitung. Bila
transformator dianggap ideal maka arus beban :
I1 = N2/N1 x I2
Untuk menjaga agar fluks () tetap tidak berubah maka perlu
diperhatikan agar rangkaian sekunder selalu tertutup. Dalam
keadaan rangkaian sekunder terbuka, ggm N2I2 akan sama
dengan nol (karena I2 = 0) sedangkan ggm N1I1 tetap ada
sehingga fluks normal () akan terganggu.
C. Berdasarkan penyusun intinya
a) Transformator inti besi
trafo inti besi banyak dipakai sebagai alat interface, step up, step down
rangkaian matching impedansi, matching voltage dalam rangkaian
elektronik frekuensi rendah.
Gambar 5. Transformator inti besi
b) Transformator inti ferit
Trafo inti ferit banyak dipakai sebagai alat interface, Rangkaian
matching Impedansi dalam rangkaian elektronik frekuensi menengah
Gambar 6. Transformator inti ferit
c) Transformator inti udara
Trafo inti udara banyak dipakai sebagai alat interface rangkaian
matching impedansi dalam rangkaian elektronik frekuensi tinggi.
Gambar 7. Transformator inti udara
5.3. Prinsip Kerja Transformator
Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika
Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus
listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan
magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke
kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl
induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).
Gambar 2. Skema Transformator
Pada skema transformator di atas, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang
mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet
yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada
kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.
Dalam bentuk yang sederhana, transformator terdiri dari dua buah kumparan
induksi yang secara listrik terpisah tetapi secara magnet dihubungkan oleh suatu path
yang mempunyai relaktansi yang rendah. Kedua kumparan tersebut mempunyai
mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber
tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan
dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik )
induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday, Bila arus bolak
balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl) .
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL , I2 mengalir pada
kumparan sekunder, di mana dengan θ2 = faktor kerja beban. Arus beban I2 ini
akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2 I2 yang cenderung menentang fluks
(φ) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan IM. Agar fluks bersama itu tidak
berubah nilainya, maka pada kumparan primer harus dialiri arus I’2, yang menentang
fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2 hingga keseluruhan arus yang mengalir
pada primer menjadi
I1 = I0 + I’2
Bila rugi besi diabaikan (IC diabaikan) maka I0 = IM Dimana Ic = arus tanpa
beban dan IM = magnetisasi
I1 = IM + I’2
Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus
pemagnetan IM saja, berlaku hubungan:
N1 IM = N1 I1 – N2 I2
N1 IM = N1 (IM + I’2) – N2 I2
N1 I’2 = N2 I2
Karena nilai IM dianggap kecil maka I’2 = I1 Jadi,N1 I1 = N2 I2 atau
Gambar 3. Prinsip kerja transformator satu fasa
Transformator gambar-3 memiliki konstruksi sebuah inti dari tumpukan pelat
tipis bahan ferro magnetis yang satu sisi dipasang belitan primer N1, dan satu sisi
lainnya dipasangkan belitan sekunder N2. Belitan primer N1 dihubungkan ke sumber
listrik AC dengan tegangan primer U1 dan arus primer I1. Pada inti trafo timbul garis
gaya magnet yang diinduksikan ke belitan sekunder N2. Pada belitan sekunder N2
timbul tegangan sekunder U2 dan arus sekunder I2. Pada trafo ideal berlaku daya
primer sama dengan daya sekunder. Energi listrik sekunder disalurkan ke beban
listrik. Besarnya tegangan induksi berlaku persamaan sbb :
Uo = 4,44 B. Afe. f. N
Uo Tegangan induksi f Frekuensi
B Fluk magnet N Jumlah belitan
Afe Luas inti
5.4. Transformator Ideal
Pada transformator ideal, tidak ada energi yang diubah menjadi bentuk energi
lain di dalam transformator sehingga daya listrik pada kumparan skunder sama
dengan daya listrik pada kumparan primer. Atau dapat dikatakan efisiensi pada
transformator ideal adalah 100 persen. untuk transformator ideal berlaku persamaan
sebagai berikut :
5.5. Efisiensi Transformator
Efisiensi transformator didefinisikan sebagai perbandingan antara daya listrik
keluaran dengan daya listrik yang masuk pada transformator. Pada transformator
ideal efisiensinya 100 %, tetapi pada kenyataannya efisiensi tranformator selalu
kurang dari 100 %.hal ini karena sebagian energi terbuang menjadi panas atau energi
bunyi.
Efisiensi transformator dapat dihitung dengan:
Efisiensi trafo dinyatakan dalam angka prosentase, pada faktor kerja cosφ=0,2
efisiensi trafo mencapai sekitar 65%. Pada beban dengan faktor kerja cosφ=1,0,
efisiensi trafo bisa mencapai 90%, gambar 4.
Gambar 4. Grafik Efisiensi Transformator
BAB IVKESIMPULAN
Berdasarkan rumusan masalah yang telah dijabarkan di atas, kemudian dibahas
secara mendetail pada bab pembahasan, maka dapat disimpulkan poin-poin sebagai
berikut yang mengacu pada pertanyaan-pertanyaan dalam rumusan masalah diatas.
Berikut kesimpulan makalah ini :
1. Transformator adalah suatu alat listrik yang mengubah tegangan arus bolak-
balik dari satu tingkat ke tingkat yang lain melalui suatu gandengan magnet
dan berdasarkan prinsip-prinsip induksi-elektromagnet.
2. Sebuah transformator idealnya terdiri atas tiga bagian, yaitu bagian utama,
bagian peralatan bantu dan bagian peralatan proteksi, yang antara lain :
A. Bagian Utama
inti besi
kumparan trafo
kumparan tertier
minyak trafo
bushing
tangki dan konservator
B. Bagian Peralatan Bantu
pendingin
tap changer
alat pernapasan
Indikator
C. Bagian Peralatan Proteksi
rele bucholz
pengaman tekanan lebih
rele tekanan lebih
rele diferensial
rele arus lebih
rele tangki tanah
rele hubung tanah
rele termis
3. Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah ketika kumparan primer
dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik
pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan
magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti
besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder
akan timbul ggl induksi.
4. Klasifikasi transformator dapat dijabarkan sebagai berikut :
A. Berdasarkan perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder
Transformator step up
Transformator step down
B. Berdasarkan pemakaianya
Transformator elektronik
Transformator tenaga (distribusi)
Transformator pengukuran
C. Berdasarkan penyusun intinya
Transformator inti besi
Transformator inti ferit
Transformator inti udara
5. Efisiensi transformator dapat dihitung dengan:
DAFTAR PUSTAKA
Tim e-dukasi.net,Transformator, http://www.e-dukasi.net/mapok/mp_full.php?id=
286&fname=materi1.html, 25 Maret 2009
Tim e-dukasi.net,Transformator, http://www.e-dukasi.net/mapok/mp_full.php?id=
286&fname=materi2.html, 25 Maret 2009
Tim e-dukasi.net,Transformator, http://www.e-dukasi.net/mapok/mp_full.php?id=
286&fname=materi3.html, 25 Maret 2009
Siswoyo,Teknik Listrik Industri untuk SMK jilid 1,Buku Sekolah Elektronik,Jakarta
2008
Muslim,Supari, Teknik Pembangkit Tenaga Listrik untuk SMK jilid 1,Buku Sekolah
Elektronik,Jakarta,2008