TRANSFORMATOR/TRAFO

TRANSFORMATOR

Pengertian:
Prinsip:
Vs = tegangan sekunder (volt) 
Np = jumlah lilitan primer 
Ns = jumlah lilitan sekunder 
Transformator sering juga disebut trafo memiliki konstruksi dan simbol seperti pada gambar 1 berikut ini.
N_P : jumlah lilitan primer
N_S : jumlah lilitan sekunder
V_P : tegangan primer
V_S : tegangan sekunder
Sebuah trafo terdiri dari kumparan dan inti besi. Biasanya terdapat 2 buah kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Kedua kumparan ini tidak berhubungan secara fisik tetapi dihubungkan oleh medan magnet. Untuk meningkatkan induksi magnetik antara 2 kumparan maka ditambahkan inti besi seperti pada gambar 1.
Inti besi pada trafo dibedanya menjadi 2 macam yaitu :
RUGI-RUGI BESI

1.  Hysterisis losses (rugi-rugi histerisis) Kerugian histerisis disebabkan oleh gesekan molekul yang melawan aliran gaya magnet di dalam inti besi. Gesekan molekul dalam inti besi ini menimbulkan panas. Panas yang timbul ini menunjukan kerugian energi, karena sebagian kecil energi listrik tidak dipindahkan , tetapi diubah bentuk menjadi energi panas. Panas yang tinggi juga dapat merusak trafo ,sehingga pada trafo – trafo transmisi daya listrik ukuran besar, harus didinginkan dengan media pendingin. Umumnya digunakan minyak khusus untuk mendinginkan trafo ini Sebuah trafo didesain untuk bekerja pada rentang frekuensi tertentu. Menurunnya frekuensi arus listrik dapat menyebabkan meningkatnya rugi-rugi histerisis dan menurunkan kapasitas (VA) trafo.
2.  Kerugian karena Eddy current (eddy current losses)Kerugian karena Eddy current disebabkan oleh aliran sirkulasi arus yang menginduksi logam. Ini disebabkan oleh aliran fluk magnetik disekitar inti besi. Karena inti besi trafo terbuat dari konduktor (umumnya besi lunak), maka arus Eddy yang menginduksi inti besi akan semakin besar. Eddy current dapat menyebabkan kerugian daya pada sebuah trafo karena pada saat terjadi induksi arus listrik pada inti besi, maka sejumlah energi listrik akan diubah menjadi panas. Ini merupakan kerugian.Untuk mengurangi arus Eddy, maka inti besi trafo dibuat berlapis-lapis, tujuannya untuk memecah induksi arus Eddy yang terbentuk di dalam inti besi. Perbedaan induksi arus Eddy di dalam inti besi tunggal dengan inti besi berlapis dapatdilihatberlapis
3. Rugi-rugi tembaga (copper losses) Rugi – rugi yang ketiga adalah rugi-rugi tembaga (copper losses). Rugi-rugi tembag terjadi di kedua kumparan. Kumparan primer atau sekunder dibuat dari gulungan kawat tembaga yang dilapisi oleh isolator tipis yang disebut enamel. Umumnya kumparan dibuat dari gulungan kawat yang cukup panjang. Gulungan kawat yang panjang ini akan meningkatkan hambatan dalam kumparan. Pada saat trafo dialiri arus listrik maka hambatan kumparan ini akan mengubah sejumlah kecil arus listrik menjadi panas yaitu sebesar (i²R). Semakin besar harga R maka semakin besar pula energi panas yang timbul di dalam kumparan. Mutu kawat yang bagus dengan nilai hambatan jenis yang kecil dapat mengurangi rugi – rugi tembaga.Sebuah trafo yang ideal diasumsikan:

trafo bintang bintang

Pada jenis ini ujung ujung pada masing masing terminal dihubungkan secara bintang. Titik netral dijadikan menjadi satu. Hubungan dari tipe ini lebih ekonomis untuk arus nominal yang kecil,pada transformator tegangan tinggi

trafo segitiga segitiga

Pada jenis ini ujung fasa dihubungkan dengan ujung netral kumparan lain yang secara keseluruhan akan terbentuk hubungan delta/ segitiga. Hubungan ini umumnya digunakan pada sistem yang menyalurkan arus besar pada tegangan rendah dan yang paling utama saat keberlangsungan dari pelayanan harus dipelihara meskipun salah satu fasa mengalami kegagalan.


Transformator atau yang biasa kita kenal dengan trafo adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik arus bolak-balik(AC). Transformator juga digunakan untuk merubah dari voltase satu ke voltase lain. Transformator berperan dalam  menyalurkan tenaga atau daya listrik dari tegangan tinggi ketegangan yang rendah atau sebaliknya, namun dengan frekuensi yang sama. Fungsi ini juga dikenal pula sebagai istilah step up dan step down, yang dimana pada transformator step up ini memiliki lilitar sekunder yang lebih banyak dibandingkan dengan lilitan primer sehingga fungsinya sebagai penaik tegangan arus listrik, sedangkan pada transformator step down jumlah lilitannya berbalik dengan transformator step up, pada transformator step down ini lilitan yang terbanyak adalah lilitan primernya dibanding dengan lilitan sekunder

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).

Pada skema transformator di samping, 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

Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan

Vp = tegangan primer (volt) 

KONSTRUKSI

Konstruksi Transformator

Keterangan dari gambar 1 :

 1.   Inti besi tipe Shell (Shell Core Transformator)

2.    Inti besi tipe tertutup (Closed Core Transformator)

Kedua jenis inti besi ini dapat dilihat seperti pada gambar 2 berikut ini

Pada trafo dengan inti besi berbentuk shell, kumparan dikelilingi oleh inti besi. Fluks magnetik pada inti besi tipe shell akan terbelah dua (lihat gambar 2). Sementara kumparan primer dan kumparan sekunder digulung bersamaan. Untuk trafo yang memiliki inti besi tipe tertutup.  Tidak ada pembagian fluk magnetik. Kumparan primer dan kumparan sekunder terpisah dan dihubungkan dengan inti besi.

Inti besi trafo tidak dibuat berbentuk besi tunggal, tetapi dibuat dari pelat besi yang berlapis – lapis. Bentuk lapisan pelat besi pada inti trafo dapat dilihat seperti pada gambar 3 berikut ini.

Cara menghubungkan lapisan inti besi juga bermacam-macam. Beberapa cara yang umum digunakan dapat dilihat seperti pada gambar 4 berikut ini.

1.  Tidak terjadi rugi-rugi hysterisis

2. Tidak terjadi induksi arus Eddy

3. Hambatan dalam kumparan = 0, akibatnya tidak ada rugi-rugi tembaga

      Efisiensi transformator

     Sebuah trafo tidak membutuhkan bagian yang bergerak untuk memindahkan energi dari kumparan primer ke kumparan sekunder. Ini berarti tidak ada kerugian karena gesekan atau hambatan udara seperti yang terdapat pada mesin – mesin listrik (contoh motor listrik dan generator). Namun di dalam trafo juga terdapat kerugian yang disebut rugi-rugi tembaga (copper losses) dan rugi-rugi besi (iron losses). Rugi-rugi tembaga terdapat pada kumparan primer dan kumparan sekunder, sedangkan rugi-rugi besi terdapat dalam inti besi. Rugi-rugi ini berupa panas yang dilepaskan akibat terjadinya Eddy current. Tetapi rugi-rugi ini sangat kecil. Efisiensi sebuah trafo dapat dihitung dengan membandingkan daya yang dikeluarkan di kumparan sekunder dengan daya yang diberikan pada kumparan primer.  Sebuah trafo ideal akan memiliki efisiensi sebesar 100 %. Artinya semua daya yang diberikan pada kumparan primer dipindahkan ke kumparan sekunder tanpa ada kerugian. Sebuah trafo yang real memiliki efisiensi di bawah 100% dan pada saat beban penuh (full load) efisiensi trafo berkisar pada harga 94 – 96%. Untuk trafo yang bekerja pada tegangan dan frekuensi yang konstan, efisiensi trafo dapat mencapai 98%. Efisiensi trafo dapat dinyatakan :

HUBUNGAN TRANSFORMATOR TIGA FASA

1.Trafo 3 fasa Hubung Bintang Bintang (Y-Y)

2. Trafo Hubung Segitiga-Segitiga (Δ - Δ)

AC MOTOR & GENERATOR

3 fasa

1 fasa

MOTOR AC
Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC (Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasaPembahasan dalam artikel kali ini pada motor listrik AC 1 fasa, yang terdiri dari:• Motor Kapasitor• Motor Shaded Pole• Motor Universal .Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama.Grafik arus belitan bantu I bantu dan arus belitan utama I utama berbeda fasa sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu. 

Prinsip Kerja AC Motor

AC motor dapat bergerak melalui prinsip kemagnetan.. AC Motor sederhana berisi sebuah kumparan /coils dan dua magnet tetap (fixed magnets) yang mengelilingi poros. Ketika muatan listrik diterapkan pada kumparan,maka kumparan tersebut  akan menjadi electromagnet dan kemudian akan menghasilkan medan magnet. Hal tersebut akan membuat kumparan bergerak dan mulai putar, sehingga motorpun dapat bekerja.

Generator AC

GENERATOR AC (alternating current)

            Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.

Bagian-bagian terpenting dari generator AC adalah :

1.  Rangka stator, di buat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian generator yang lain
2.  Stator, Bagian ini tersusun dari plat-plat (seperti yang di pergunakan juga pada jangkar dari mesin arus   searah) stator ang mempunyai alur-alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat terjadinya GGL induksi
3.  Rotor, merupakan bagian yang berputar. Pada rotor terdapat kutup-kutup magnet dengan lilitan nya yangdi aliri arus searah, melewati cicin geser dan sikat-sikat
4.  Slip ring atau cincin geser, di buat dari bahan kuningan atau tembaga yang di pasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama-sama dengan poros dan rotor Jumlah slip ring ada  dua buah yang masing-masing slip ring dapat menggeser sikat arang yang masing-masing merupakan sikat positif dan sikat negatif, berguna untuk mengalirkan arus penguat magnet pada lilitan magnet pada rotor.
5. Generator penguat, adalah suatu generator arus searah yang di pakai sebagai sumber arus. Biasanya yang di pakai adalah dinamo shunt. Generator arus searah ini biasanya di kopel terhadap mesin pemutarnya  bersama generator utama. Akan tetapi seekarang banyak generator yang tidak menggunakan generator arus searah sebagai sumber penguat, tetapi mengambil sebagian kecil dari balitan statornya, di transformasikan dan kemudian di salurkan dengan dioda sebagai sumber penguat magnetnya.

DASAR-DASAR GENERATOR AC
Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik ac maupun dc, bergantung kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah kumparan sebagai hasil dari
(1) kumparan yang memotong medan magnet, atau
(2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan.
Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet, tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksi tegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan medan magnet, semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator.

ROTATING ARMATURE ALTERNATOR

            Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.

ROTATING-FIELD ALTERNATORS

            Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban.

Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi. 

            Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.

Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada inti ini.

Generator dan Motor DC(direct current)

MOTOR dan GENERATOR DC

Di zaman sekarang ini sudah banyak digunakan motor listrik rotari . kebanyakan digunakan untuk alat alat militer ; radar ,blower dan alat pendukung jet.Motor adalah suatu alat pengubah daya Tarik menjadi daya mekanik (putaran)
Generator adalah suatu alat yang mengubah daya mekanik menjadi daya listrik
Konstruksi dibagi menjadi 2:
Stator (bagian yang diam) & rotor (bagian yang bergerak)
A. Stator terdiri:
1.    Rangka
2.    Lilitan /coil
3.    Kern
4.    Isolator
5.    Kotak terminal
6.    Kabel
7.    Sikat-sikat
B. rotor terdiri:
1.    Komutator
2.    Jangkar/angker
3.    Lilitan jangkar
4.    Poros/sumbu
5.    Leher beaing
Bagian –bagian stator
•    Rangka/frame gunanya untuk pelindung yang dibuat dr baja

•    Lilitan(coil) atau kumparan gunanya menghasilkan medan magnet

•    Kern gunanya sebagai tempat liltan kawat tembaga berupa lubang –lubang ,kern tersusun dr lempengan baja yang dikencangkan.

kern

•    Isolasi Mencegah arus induksi keluar lintasan dan isolasi terbuat dari mika

•    Sikat sikat gunanya penghubung arus listrik dan lilitan jangkar ke beban(untuk generator)


B. bagian rotor

rotor dc

•    Komutator (pada motor dan generator DC)
Terdiri dari 2 bagian:
1.    Komutator bar tempat terjadinya pergeseran antara komutator dan sikat sikat.
2.    Riser tempat terjadinya hubungan komutator dengan ujung ujung lilitan jangkar.



•    jangkar /angker gunanya untuk mengurangi panas dari arus

spesifikasi jangkar dc

MOTOR DC

Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Yang mempengaruhi EMF (electro magnetic force)
1.    panjang kumparan kawat
2.    kecepatan memotong medan magnet
3.    jumlah medan magnet
rumus untuk menghitung GGL (electromotive force) :
e=B.l.v sin
diketahui;
e= ggl
B=kekuatan medan magnet
L=panjang kawat
V=kecepatan memotong medan magnet
sin = sudut yang terbentuk antara kawat dengan dinding kumparan
untuk memendekkan ripple/jarak dengan cara menambah magnet


motor DC memiliki tiga komponen utama:
Kutub medan. Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet.Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.

Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Commutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.

Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
• Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan
• Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Dengan bertambah majunya teknologi magnet permanen, motor DC tersebut banyak sekali mempergunakan magnet permanen bagi pembangkitan medan magnetnya. Juga terdapat motor DC daya kecil, yang mempunyai konstruksi rotor khususnya yaitu tanpa memakai besi, yang sering disebut moving coil motor, atau mur dengan lilitan berputar.
Dengan sendirinya terdapat juga motor DC magnet permanen yang mempunyai konstruksi yang klasik, yaitu memaki magnet listrik untuk pembangkitan medan magnetnya dengan rotor yang mempunyai inti besi. Apabila medan stator dari motor diperoleh dari magnet permanen. Maka untuk membangkitkan medan magnet tidak perlu disediakan sesuatu daya. Lagipula magnet permanen modern mempergunakan suatu jenis keramik tertentu, mempunyai gaya paksa sedemikian besarnya, sehingga medan utama praktis tidak terpengaruh oleh reaksi jangkar dari arus jangkar. Hal ini mengakibatkan bahwa bentuk lengkung-lengkung putaran momen maupun arus momen praktis merupakan garis lurus.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya.Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.

 Prinsip kerja Generator DC


Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:

• dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.

gbr1.pembanggkitan tenaga induksi

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegan-gan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Se-dangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.


Gambar 3. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bo-lak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.

• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komuta-tor berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.

• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyak-nya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).

Motor listrik DC dibagi menjadi 2:
1.    separately excited
2.    self excited

separately excited dibagi menjadi 3 :
•    series
•    shunt
•    compound
self excited dibagi menjadi 3:
•    seri
•    campuran
•    shunt