BAB II TRANSFORMATOR - BAB-02 TRANSFORMATOR_30 FEb2018

BAB II TRANSFORMATOR Transformator adalah suatu peralatan elektronik yang digunakan untuk mentransfer energy listrik

  dari kumparan primer kekumparan sekunder, melalui sutau gandengan magnet yang bekerjanya berdasarkan induksi magnet., bekerjanya berdasarkan Hukum induksi Faraday. Model ranggkaiannya dapat dilihat pada Gambar 1

  Gambar1. Rangkaian Trasfomator Transformator dgiunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika industri. Penggunaaannya dalam system tenaga memungkinkan dipilihnya suatu tegangan yang sesuai dengan kebutuhan dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan ( mesin-mesin industry yang berbeda sumber teganganya), misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.

  Persamaan dasar :

  − d ∅

  B

e=

dt

  (2.1) Dimana : e = tegangan ggl ( emf ) [ volt ] ∅

  B = fluks magnet [ weber ] t = waktu

  Dalam bidang elektronika, transfomator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, untuk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yang lain ( sebagai proteksi ), dan juga digunakan sebagai bagian dari power supply dc.

  Dalam bidang Tenaga listrik transfomator dikelompokan menjadi :

  1. Transfomator daya , mengubah tegangan ac tinggi arusnya rendah menjadi tegangan rendah arusnya tinggi atau sebaliknya. Pada konversi ini besarnya frekuensi tetap.

  2. Transfomator distribusi, mentransfer daya listrik dari satu rangkaian ke rangkaian lainnya ( sisi primer ke sisi sekunder)

3. Transfomator pengukuran : yang terdiri dari transfomator arus dan transfomator

  tegangan .

  

Core type

• • Windings are wrapped around two sides of a laminated square

  core.

  Gambar trafo Gambar fisik suatu trafo Kerja trnasformator yang berdasarkan induksi electromagnet membutuhkan gandengan magnet anatara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa : tipe inti ( core ) dan tipe cangkang.

  Medan Magnet :

  Bila kumparan primer suatu transfomator dihubungkan dengan sumber tegangan V yang

  1

  sinusoidal, akan mengalir arus primer Io yang juga berupa gelombang sinus. Dengan menggangap kumparan N reaktif murni, Io akan tertinggal 90 dari V . Arus primer Io

  1 1 menimbulkan fluks ( Ф ) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoidal.

  Ф = Ф maks sin wt Fluk ( Ф ) yang sinusoidal ini akan menghasilkan tegangan induksi

  d ∅

  1

  1 dt N d

  =− N e

  1 1 cos wt ( tertinggal 90 dari Ф ) Harga efektifnya ( RMS/ Root Means Square) :

  =− ¿¿ e

  N 2 . π . f . ∅ 1 mkks

  4,44 . N . f . Ф E

  1 = = maks

  1

  2

  √

  Pada rangkaian sisi sekunder , fluks ( Ф ) bersama ini akan menimbulkan :

  d ∅ e N

  =−

  2

  2 dt e =− N d ¿ ¿

  2

  2

  cos wt ( tertinggal 90 dari Ф )

  Harga efektifnya ( RMS) sisi sekunder : N 2 . π . f . ∅

  2 mkks

  = 4,44 . N . f . Ф

   E 2 = 2 maks

  √

  2 E N

  

1

  1

  =

  Dari kedua persamaan akan diperoleh :

  

E N

  

2

  2 Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor akan diperoleh : E

  V N

  1

  1

  1 a

  = = =

  E

  V N

  2

  2

  2

  a= N /N , perbandingan trasnformasi

  1

2 Transformer on load

  Fig. a: Ideal transformer on load Fig. b: Main flux and leakage flux in a transformer Dimana : N

  1 = jumlah lilitan primer dan N 2 = jumlah ilitan sekunder.

  Model trafo ideal dapat dilihat pada Gambar berikut :

  TIPE TARNSFOMATOR AUTO Trasformator

  Kumparan primer dan sekunder pada kumparan yang sama

  THREE PHASE TRANSFORMER CONNECTIONS Delta – wye (Δ – Y) Wye – delta (Y- Δ) Delta – delta (Δ – Δ) Wye – wye (Y – Y)

  Reference : Electric Machinery and Power System Fundamentals, Stephen J. Chapman Penggunaan pada system tenaga listrik

  Cut view of transformer Transformer with conservator and breather Pembangkitan Trafo Transmisi Tegangan Ekstra Tinggi 500 kV

  Trafo 150 kV 150/20 kV

  20k/220

  V Industri Berat Industri Ringan Perumahan Bangunan

  Komersial 380/220

  V 500/150 kV

  20 kV 380/220 V 220 V

  20 kV Transmisi Tegangan Tinggi Distribusi

  Primer

  Transmission line demo Transformer Tests The performance of a transformer can be calculated on the basis of

• equivalent circuit Thefour main parametersof equivalent circuit are:
• R asreferred to primary(or secondaryR )

  01

  02

• theequivalent leakagereactance X asreferredto primary

  01 (or secondaryX )

  02

• Magnetisingsusceptance B ( or reactanceX )
• corelossconductance G (or resistanceR ) Theaboveconstantscan beeasilydetermined bytwo tests
• Oper circuit test (O.Ctest / No loadtest)
• Short circuit test (S.Ctest/Impedancetest)
• Thesetestsareeconomical andconvenient
• these tests furnish the result without actually loading the transformer _{Electrical Machines}

  Open-circuit Test

  In Open Circuit Test the transformer’s secondarywindingisopen-circuited , and its primarywindingisconnectedtoafull-ratedlinevoltage .

  V R  Core loss W

  V I cos    _oc

  I _w W _oc cos

  V  

  X 

  V I

  I 

  I or

  I I cos _{c w}  

  I _w G 

• I or _{m     w}

  Usually conducted on ^{2 2}

  I I sin I -I

  V H.V side

  I I 

  

I

V Y ; Y B    o 

  To fnd •

  V V ₂ W

  (i) No load loss or core ^oc

  W _{oc   }

  V G ; Exciting conductanc e G ₂ V

  loss _{2 2} (ii) No load current I & Exciting susceptanc e B Y G

    o

  which is helpful in fnding G (or R ) and B

  o o o

  (or X )

  o

  Effisiensi dan Regulasi Tegangan Transformer Voltage Regulation and Efficiency

  The output voltage of a transformer varies with the load even if the input voltage remains constant. This is because a real transformer has series impedance within it. Full load Voltage Regulation is a quantitythat compares the output voltage at no load with the output voltage at full load, defned by thisequation:

  V _s

At noload k 

V _p

  V V V / k

  V _{S , nl S , fl  }  P  S , fl Regulation up 100 % Regulation up  x 100 %  

  V V S , fl _{S , fl} V / k 

  V  P  S , fl

  V  _{S , nl S , fl}

  V Regulation down  x 100 % Regulation down   100 %

  V _{S , nl}

  V _{S , nl} Ideal transformer,VR=0%. _{Electrical Machines} EFFICIENCY

• Efficiency (η) is the ratio of the power out to the power in of a transformer.
• – η in an Ideal transformer, no power losses

  IN P. P P

• P = V I cos θ

  OUT S. S S

• P = V I cos θ

  IN OUT P . P P S . S S

• P = P = V I cos θ = V

  I cos θ OUT

  IN P . P S . S

• S = S = V _Ideal

  I = V

  

I

• η = 100%
• As mentioned previously, losses occur in a real transformer and these losses must be taken into count.
• Hence,

• P
• i
• voltage load no
• voltage load full voltage load - no Voltage regulation  

   ₁ ² _{1 2} N N

  V V N N

  N N

    



_{1 2 1} ^{2 1 2 1} Voltage regulation

       

     

     

  is a secondary terminal voltage on full load

  2

  V

  recall Secondary voltage on no-load

  V V 

  N N

  V V p s p s

     

  Efficiency for a single phase real transformer

     

  2 RC Regulasi Tegangan :

  /a)

  2 R + (V P

  I S cos θ S

  V S

  I S cos θ S_________

  V S

  LOSS =

  OUT

  OUT x 100% P

  IN = P

  = P OUT x 100% P

  η Real

  V Substitute we have

VOLTAGE REGULATION

• Voltage regulation (VR) is the ability of a system to provide near constant voltage over a wide

  range of load conditions. Also it compares the V

  O at no load to V

  O at full load.

• • An Ideal transformer has a voltage regulation,

  VR = 0% Reference : http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_regulation

  Effisiensi Trafo :

  All day ef ciency out put in watts ordinary commercial efficiency

   input in watts output in kWh ( for

  24 hours) 

   all day

  Input in kWh

• All day efficiency is always less than the commercial efficiency

  Transformer Efficiency Transformer ef ciency is defned as (applies to motors, generators and transformers):

  P out

  100 %   

  P in

  P out

  100 %

    

  P P  out loss

  Typesof lossesincurred in atransformer:

2 Copper I Rlosses

  Hysteresislosses Eddycurrent losses Therefore, for atransformer, ef ciency maybecalculated usingthefollowing:

  V I cos

  

  S S x 100 %

   

  P P

  V I cos

    

  Cu core S S _{Electrical Machines}

  Latihan Soal-Soal :

  1. Berikan penjelasan mengenai dalahs atu system pembangkit tenaga listrik yang saudara ketahui.

  2. Suatu trafo mempunyai spesifkasi : satu phase 250/3000 V, frekuensi

  2

  50 Hz, kerapatan flus ( B ) 1,2 Wb/ m . Apabila nilai gaya gerak listrik perbelitan sebesar 8 V. Tentukan a). Jumlah lilitan/belitan di sisi primer dan sekunder ( Np dan Ns )

  b). Luas Penampang inti ( A ) Jawab :

  a) Dimana tegangan GGL : E eff1 ( V

  1 atau V p ) = GGL per belitan x N p ( 1)

  E eff2 ( V

  2 atau V s ) = GGL per belitan X N s (2) Data spesfikasi : 250 /3000 V artinya :

  250 V = V1 = Vp = ( Tegangan effektif sisi Primer ) 3000 V  V2 = Vs = ( Tegangan effektif sisi Sekunder ) Dari persamaan 1 : 250 V = 8 V x Np - Np = (250)/8 = 31,25 Dari persamaan 2 : 3000 V = 8 V x Ns - Ns = ( 3000/8 ) = 375 Atau bisa juga dihitung dengan rumus :

  N

  V p p

  =

  N

  V s s

  31,25 250 =

  

N 3000 Ns = 375

  2

  b) Luas Penampang inti : Rumus :

  s E = 4,44 .f. Ns . B. A

  ¿

   flux ( ∅ m = B. A = ( kerapatan flux x luas penampang )  Tegangan efektif sisi sekunder :

  E eff2 = 4, 44 . f . N2 . ∅ m E s = 4,44 .f. Ns . B. A

  2 3000 V = 4,44. 50 Hz. 1,2 wb/m .

  A

  2 Jadi luas penampang inti : A = 0,03 m

3. Sebuah trafo ideal mempunyai daya input 25 KVA ( P ), lilitan primer

  p

  500 lilitan ( N ) dan sekunder 50 lilitan. Belitan primer dihubungkan dengan sumber listrik 3000 V / 50 Hz.

  a) Gambar rangkaian ekivalen trafonya

  b) Tentukan Arus primer dan sekunder beban penuh ( I P dan I s )

  c) Gaya Gerak listrik sekunder maksimum ( GGL )

  d) Flux maksimum pada inti

  i _AC i _{1 + +} ² N v N ^{2 2 Load} v _{- - 1} ¹ Jawab :

  V N I s p p

  b). Gambar rangkaian Trafo : Lihat Gambar

    I p V s N s

  P v i 

  1 1 1 Daya input : P = V p x I p .

  25.000 = 3000. Ip - arus sisi primer,

  

Ip = ( 25000 /3000 )

= 8,33 Ampere.

  Rumus perbandingan arus ( untuk arus perbandinganya terbalik ) ;

  I N p

  2

  =

  I N S

  1 N

1 500

. I

  Is = p= _¿¿

  N 50 x 8,33 = 83,3 A

  2

  b). GGL sekunder :

  s GGL sekunder = V

  i

  V s p

  =

  i

  V p s

  83,3 3000 8,33 =

  V s

  ( 3000)(8,33)

  Vs = 300 volt

  = 83,3

  GGl sekunder = Vs = 300 V

  Atau dengan cara : Hitung dulu melalui persamaan : ( sisi primer ) E eff1 = Vp = GGL per belitan x N1 = GGL per belitan Np 3000 V = GGL per belitan. 500 Jadi : GGL untuk satu lilitan = ( 3000 V / 500 ) = 6 V

  Sisi sekunder : eff2

  GL sekunder = E = Vs = GGL per belitan x Ns = 6 x 50 = 300 V.

  GGL sekunder dalam harga maksimum = Rumus nilai maksimum : Emax = ¿ ) E eff2

  = ( 1,41) ( 300 ) = 423 Volt

c). Flux magnet ( ∅ m ) :

  E eff2 = Vs = 4,44 . f . N2. ∅ m = 4,44. f. Ns. ∅ m

  ¿

  300 V = 4,44. 50. 50. ∅ m -- maka flux (∅ m = 27. 10

• 3

  Wb

  = 27 mWb

  4. A transformer has 330 primary turns and 1240 secondary turns. The input voltage is 120 V and the output current is 15.0 A. What is the output voltage and input current? Solusi ;

  a) Gambar Rangkaiannya

B) Persamaan Trafo

  N N

  V V

  I I   p ^{s p s}

  N N

  s p s p p s

  V V 451 330 1240 120

   

  s s p p

  V I

  V I  _{p s s p}

  V V

  I I 

  V V 

TEST TRAFO

  1). Test Open Circuit Pada sisi sekunder di “ open “ ( dibuka ), artinya tidak dipasang beban

2) Short circuit

  Contoh :