2.
DIAGRAM VEKTOR BEBAN PADA TRANSFORMA TRANSFORM ATOR
Yang dimaksud diagram vektor disini adalah penggambaran hubungan antara fluks magnet, tegangan dan arus yang mengalir dalam bentuk vector. Hubungan yang terdapat diantara harga tersebut akan tergantung pada sifat beban, impedansi lilitan primer dan sekundar serta rugi-rugi t ransformator Apabila transformator tidak dibebani, arus yang mengalir dalam transformator hanyalah pemagnetan pemagnetan (Io) ( Io) saja. Dalam hal ini : 1. Fluks magnet ( Φo ) sephasa dengan arus primer tanpa beban ( Io ) dan ketinggalan 90 o terhadap tegangan sumber ( V 1 ). 2. Gaya gerak listrik induksi pada primer ( E 1 ) besarnya sama, tetapi berbeda phasa 180 o terhadap tegangan sumber ( V 1 ). 3. Gaya gerak listrik induksi pada sekunder ( E 2 ) = a E1 , ketinggalan 90 o terhadap fluks magnet (Φo ).
Dalam penggambaran, V 1 = - E1, dengan menganggap : 1.
Rugi - rugi karena arus pusar dan rugi – rugi – rugi hysterisis di dalam dalam inti besi tidak ada.
2.
Rugi – Rugi – 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 (Φo ), sebenarnya mendahului sebesar φe sehingga arus primer tanpa beban dapat diuraikan atas dua komponen, yaitu :
Io = Im + Ih + e ……………………………………….( 2.16 )
2. Besarnya ggl induksi 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 X1
: tahanan kumparan primer : reaktansi induktif induktif kumparan kumparan primer
Φo
Io
90o
90o
0
V1 = - E1
E1
E2
Gambar 2.15 Diagram vektor transformator ideal tanpa beban Φo
I oR 1
Io
Im
-E1 IoX1
φo V1
Ih + e
E1
0
E2
Gambar 2.16 Diagram vektor transformator tak ideal tanpa beban
2.2 Transformator Berbeban 2.2.1
Beban Tahanan Murni
Pada 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 φ2 terhadap E2 akibat adanya reaktansi kumparan sekunder ( X2 ).
I1
I2 X2
R2 E1
V1
E2
V2
RL
Gambar 2.17 Transformator berbeban tahanan murni Dari gambar 2.17 diatas didapat V 2
E 2 − I 2 R2
V 2
E 2 − I 2
tg
ϕ2
R2
X 2 R2
R L
jX 2 R L
R L
...................................
( 2.18 )
jX 2
..........................................................
( 2.19)
Untuk melukiskan diagram vektornya, maka diambil E2 sebagai dasarnya. Didapat harga E1 = a E2
Φo
I1
Io
I1R1
Im φ1 -E1
E1
-I2
I1X1
φ2 V1 Ih + e
I2X2
V2 I2 ( R2 + RL )
Gambar 2.18 Vektor diagram Transformator berbeban tahanan murni
.
E2
2.2.2 Beban Induktif
Apabila transformator berbeban induktif, berarti pada sekunder transformator terdapat R2 + jX2 dan RL + jXL. Dengan adanya harga-harga tersebut akan menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan Es sebesar θ2. Dimana tg
2
X 2
X L
R2
R L
.........................................................
( 2.20)
Dan dengan adanya harga-harga tersebut diatas juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2 sebesar φ2, dimana tg
ϕ2
X L R L
..................................................................
(2.21 )
Oleh karena beban induktif, maka I2 ketinggalan terhadap E2. Dengan mengambil E2 sebagai dasar melukiskan diagram vektor dan harga E1 = a E 2 , maka diagram vektor dapat dilukiskan sebagai berikut : Φo
I1 Io Im I1R1 -E1
I1X1
φ1
E1
-I2
θ2 I2 V1
Ih + e
φ2
E2
I2X2 V2
I2R2
I2RL I2XL
Gambar 2.19 Vektor diagram Transformator berbeban induktif
2.2.3
Beban Kapasitif
Dengan adanya beban kapasitif pada transformator menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan E2 sebesar θ2. tg
2
X L − X 2 R2
R L
.........................................................
( 2.22 )
Dan juga menyebabkan pergeseran phasa antara I2 dan V2 sebesar φ2. tg
ϕ2
− X L R L
...............................................................
( 2.23 )
Φo I2RL I2
Io
I2XL Im θ2
-E1
I1R1
φo
φ2
E1
E2 I2X2
φ1 I1
I1X1 Ih + e
V1
I2R2
-I2 V2
Gambar 2.20 Vektor diagram Transformator berbeban kapasitif
3. TRANSFORMATOR TIGA FASA 3.1 UMUM
Tiga 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 (V L-L) dan daya transformator (KVA) tidak tergantung dari hubungan belitannya. Akan tetapi tegangan fasa netral (V L-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-Δ 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 Δ-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 Δ-Δ 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.
3.2 KONSTRUKSI
TRANSFORMATOR
TIGA
FASA
DENGAN
MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA
Untuk 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
a
b
d
c
PRIMER
SEKUNDER
n
m
r
q
Gambar 2.22 Transformator 3 Fasa Tipe Cangkang Dalam 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.
3.3 HUBUNGAN TIGA FASA DALAM TRANSFORMATOR Secara umum hubungan belitan tiga fasa terbagi atas dua jenis, yaitu hubungan wye (Y) dan hubungan delta (Δ). 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 A
Z01
E1 IN E1
N
E1
Z01
Z01 IB B
IC
C
Gambar 2.23 Hubungan Wye Dari gambar diatas dapat diketahui sebagai berikut, IA = IB = IC = IL-L (ampere)………………………………( 2.24 ) IL-L = Iph (ampere)..………………………..……............ Dimana :
( 2.25 )
IL-L = Arus line to line Iph = Arus line to netral
Dan, VAB = VBC = VCA = VL-L (volt VL-L = √3 Vph = √3 E1 (volt).....…………………….......(2.26) Dimana :
VL-L = Tegangan line to line Vph = Tegangan line to netral
2. Hubungan delta (Δ) Hubungan delta ini juga mempunyai tiga buah belitan dan masing-masing memiliki rating yang sama.
Ia
E1
A
Z01
E1 Ib E1
B
Z01
Ic
C
Gambar 2.24 Hubungan Delta Dari gambar diatas dapat kita ketahui sebagai berikut, IA = IB = IC = IL-L (ampere)……………………….….….... IL-L = √3 Iph (ampere)........ Dimana :
……………………….….........(
( 2.27 ) 2.28 )
IL-L = Arus line to line Iph = Arus line to netral
Dan, VAB = VBC = VCA = VL-L (volt)………………………...…( 2.29 ) VL-L = Vph = E1 (volt)....……………………………..……( 2.30 ) Dimana :
VL-L = Tegangan line to line Vph = Tegangan line to netral
Dengan menetapkan/ mengambil sebuah tegangan referensi dan sudut fasa nol, maka dapa ditentukan sudut phasa yang lainnya pada sistem tiga fasa tersebut.
3.4 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
a' Np1
b+
Ns1
.
.
+
VLP VΦp
b'
VΦs V Np2
Ns2 LS
c-
.
Np3
+
.
c'
Ns3
Gambar 2.25 Transformator Hubungan Y-Y Pada hubungan Y-Y , tegangan primer pada masing-masing phasa adalah VφP = VLP / 3 …………………………………………..( 2.31)
Tegangan phasa primer sebanding dengan tegangan phasa sekunder dan perbandingan belitan transformator. Maka diperoleh perbandingan tegangan pada transformator adalah: VLP VLS
=
3 VφP 3 VφS
= a ………………………………….…..( 2.32 )
Pada hubungan Y-Y ini jika beban transformator tidak seimbang maka tegangan pada phasa transformator tidak seimbang.
2.
Hubungan Wye-Delta ( Y-Δ ) Digunakan sebagai penurun tegangan untuk sistem teganagan tinggi.
Hubungan Y-Δ pada transformator tiga phasa dapat dilihat pada Gambar 3.6 berikut ini. .
.
a
a'
VΦp
Np1
Ns1
VLP
VΦs .
VLS
.
b
b' Np2
Ns2
.
.
c
c'
Np3
Ns3
Gambar 2.26 Transformator Hubungan Y- Δ Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sebanding dengan tegangan phasa primer VLP = 3 VφP dan tegangan kawat ke kawat sekunder sama dengan tegangan phasa VLS = VΦS. Sehingga diperoleh perbandingan tegangan pada hubungan ini adalah sebagai berikut : VLP VLS
=
3 VφP VφS
= 3 a ……………………………………( 2.33 )
Hubungan ini lebih stabil dan tidak ada masalah dengan beban tidak seimbang dan harmonisa.
3.
Hubungan Delta – Wye (Δ – Y ) Umumnya digunakan untuk menaikkan tegangan dari tegangan pembangkitan
ke tegangan transmisi. Hubungan Δ – Y pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 3.7 dibawah ini. a+
.
VLP
a'
+
.
VΦp
VΦs Np1
Ns1
b-
.
c'
.
Np2
VLS
Ns2
c .
Np3
-
.
b'
Ns3
Gambar 2.27 Transformator hubungan Δ – Y Pada hubungan ini tegangan kawat ke kawat primer sama dengan tegangan phasa primer VLP = VΦP dan tegangan sisi sekunder VLS = √ 3 VφS . Maka perbandingan tegangan pada hubungan ini adalah : VLP VLS
=
= √ 3
√ 3
……………………………..….( 2.34 )
a
Hubungan ini memberikan keuntungan yang sama dan beda phasa yang sama seperti pada hubungan Y- Δ.
4.
Hubungan Delta-Delta (Δ – Δ ).
Hubungan ini ekonomis digunakan untuk melayani beban yang besar dengan tegangan pelayanan yang rendah. Hubungan Δ – Δ ini pada transformator tiga phasa ditunjukkan pada Gambar 2.28 berikut : a+ VLP
.
VΦp
+
.
Np1
a'
Ns1
VLS VΦs
b-
-
.
b'
.
Np2
Ns2
c
c' .
Np3
.
Ns3
Gambar 2.28 Transformator hubungan Δ – Δ Salah satu keuntungan pemakaian transformator tiga fasa hubungan
Δ – Δ
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 netral Sedangkan 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
TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA
Trasformator 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
a
B
b
C
A
a
B
b
c
C
c
Gambar 3.1. Transformator Hubungan Delta
A
B
a
b
C
c
A
a
B
b
C
c
Gambar 3.2. Transformator Hubungan Open-Delta Sekalipun 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.
PEMAKAIAN TRANSFORMATOR TIGA FASA HUBUNGAN OPEN-DELTA
Pemakaian 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. Temporer Telah 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. Permanen Pada suatu industri yang besar biasanya ada menggunakan peneranganpenerangan 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.
