Transformator atau yang lebih sering disebut sebagai trafo merupakan perangkat sistem kelistrikan yang berfungsi sebagai pengubah tegangan listrik baik untuk dinaikkan atau diturunkan. Trafo terdiri atas tiga bagian utama, yaitu bagian inti, kumparan sekunder, dan kumparan primer.

Trafo hanya dapat digunakan untuk mengubah tegangan pada arus bolak-balik (AC) dan tidak dapat digunakan pada arus searah (DC). Dalam sistem transmisi listrik, tegangan akan dinaikkan dengan tujuan untuk mengurangi kerugian daya (efisiensi) akibat hambatan dalam sistem transmisi. Sedangkan dalam sistem distribusi listrik dan elektronika, tegangan akan diturunkan dengan tujuan untuk menyesuaikan besaran listrik yang akan digunakan oleh konsumen, baik industri besar maupun rumah tangga.

Pada artikel kali ini akan dibahas secara mendasar mengenai :

Prinsip Kerja

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Induksi ini diawali dengan kumparan primer yang dialiri oleh arus listrik bolak-balik. Akibatnya, pada ruang di sekitar kumparan primer akan timbul sebuah medan magnet atau fluks magnet.

Medan magnet ini kemudian akan menginduksi gaya gerak listrik (GGL) pada kumparan sekunder. Sehingga, terjadi perpindahan daya listrik dari kumparan primer menuju kumparan sekunder. Ketika kumparan sekunder dihubungkan dengan beban listrik, maka akan timbul arus bolak-balik dan daya akan disalurkan pada beban.

Prinsip induksi elektromagnetik ini mengikuti hukum fisika yang dijelaskan pada hukum Lorentz dan Faraday.

Gaya listrik yang melalui garis lengkung tertutup berbanding lurus dengan perubahan arus induksi per satuan waktu pada garis lengkung tersebut, sehingga apabila ada suatu arus yang melalui sebuah kumparan maka akan timbul medan magnet pada kumparan tersebut.

– Hukum Faraday

Arus bolak-balik (AC) yang beredar mengelilingi inti besi mengakibatkan inti besi tersebut berubah menjadi magnet, apabila magnet tersebut dikelilingi oleh suatu lilitan maka lilitan tersebut akan menjadi perbedaan tegangan pada kedua ujung lilitannya.

– Hukum Lorentz

Berdasarkan Hukum Lorentz, medan magnet yang dihasilkan kumparan primer akan diterima pada bagian inti besi sehingga medan magnet dapat mengalir menuju kumparan sekunder. Induksi elektromagnetik dengan media perantara inti besi memiliki medan magnet yang lebih kuat jika dibandingkan dengan tanpa media perantara.

Pada gambar di atas terlihat bahwa kumparan sekunder memiliki jumlah lilitan kawat lebih sedikit. Dengan ini maka kumparan sekunder menerima fluks magnet yang lebih sedikit dari semua fluks magnet yang melewati inti besi. Sehingga tegangan listrik (Vs) di kumparan sekunder lebih rendah dari kumparan primer (Vp). Trafo jenis ini dikenal sebagai trafo penurun tegangan (Step Down).

Jenis Transformator

Jika melihat bagaimana fungsi dan tujuan penggunaannya, trafo dapat dibedakan menjadi beberapa jenis. Di antara jenis-jenis tersebut, trafo dapat dikategorikan sebagai berikut.

Berdasarkan Cara Pendinginan

Transformator tipe kering (Dry-Type)

Trafo dengan tipe ini memiliki sistem pendinginan berupa udara yang tersirkulasi. Udara yang tersirkulasi dengan baik memiliki tingkat pendinginan lebih baik dibandingkan pendinginan oleh minyak. Trafo tipe ini memiliki sistem isolasi kumparan berupa resin, sehingga terhindar dari kelembapan yang dapat menyebabkan hubung singkat.

Keuntungan trafo jenis ini adalah tidak memerlukan perangkat tambahan seperti tangki penampung luapan minyak, bocornya gas beracun dari minyak dan perawatan minyak. Kelemahan trafo jenis ini adalah ketika suhu lingkungan naik maka sistem sirkulasi udara yang masuk ke trafo juga akan naik dengan mudah.

Transformator tipe minyak

Trafo jenis ini memiliki sistem pendinginan berupa minyak yang tersusun atas senyawa hidrokarbon parafinik dengan mendapat campuran dari senyawa silikon dan piranol. Kenaikan suhu pada trafo dapat menyebabkan proses hidrokarbon pada trafo. Senyawa minyak yang sudah jenuh dapat mempengaruhi tegangan tembus trafo, kerapatan arus konduksi dan variabel lainnya.

Kelebihan trafo jenis ini adalah memiliki sistem pendinginan yang menyeluruh, hal ini dikarenakan minyak menyentuh segala sudut ruang trafo. Kekurangan trafo minyak adalah memerlukan perawatan minyak secara berkala.

Berdasarkan Kapasitas Daya

Transformator Daya

Trafo daya dimanfaatkan untuk menyalurkan daya listrik dari sumber listrik menuju jalur transmisi. Trafo jenis ini merupakan trafo tipe step-up yang ditempatkan di gardu induk pusat pembangkitan listrik. Daya yang telah dibangkitkan akan dinaikkan tegangannya untuk ditransmisikan di jaringan listrik. Jenis trafo ini pada umumnya memiliki kapasitas daya lebih dari 500 kVA.

Transformator Distribusi

Trafo distribusi dimanfaatkan untuk menyalurkan daya listrik dari jalur transmisi menuju jalur distribusi atau penyulang. Trafo jenis ini merupakan trafo tipe step-down yang ditempatkan di gardu distribusi di pusat kota. Daya dari jalur transmisi akan diturunkan tegangannya untuk didistribusikan menuju konsumen di daerah-daerah. Tegangan listrik dari gardu distribusi biasanya diturunkan oleh trafo secara bertahap menyesuaikan kebutuhan konsumen. Jenis trafo ini pada umumnya memiliki kapasitas daya kurang dari 500 kVA.

Berdasarkan Cara Pengamanan

Transformator CSP

CSP atau Completely Self Protected adalah jenis transformator yang sudah memiliki sistem proteksinya sendiri untuk menghindari terjadinya beban lebih atau kerusakan internal lainnya. Beberapa perangkat pengaman yang sering terpasang adalah lightning arrestor dan circuit breaker.

Lightning arrestor melindungi trafo dari lonjakan listrik yang disebabkan dari aktivitas switching, sambaran petir, ataupun sumber tegangan tinggi lainnya. Lightning arrestor menyediakan jalur menuju pentanahan untuk dilalui tegangan tinggi sehingga terhindar dari aliran listrik yang menuju internal trafo.

Transformator Konvensional

Tidak seperti trafo CSP, trafo konvensional tidak memiliki sistem proteksinya sendiri. Artinya dalam penggunaannya, trafo perlu untuk disambungkan terlebih dahulu menuju switch cut-off untuk sistem proteksi.

Berdasarkan Cara Pemasangan

Transformator Tiang

Jenis trafo ini merupakan perangkat yang terpasang pada tiang listrik. Trafo tiang merupakan bagian dari jaringan distribusi yang berfungsi untuk menurunkan tegangan menengah (20 kV) menjadi tegangan rendah (380/220 V). Selanjutnya tegangan tersebut disalurkan menuju konsumen.

Transformator Gardu

Jenis trafo ini terpasang pada setiap gardu induk dan gardu distribusi yang tersedia. Trafo jenis ini memiliki kapasitas daya cukup besar karena menerima listrik dari jaringan tegangan tinggi hingga menengah.

Berdasarkan Polaritas

Penentuan polaritas trafo ini sangat dibutuhkan ketika pengguna akan melakukan pengukuran pembebanan pada trafo, pemasangan CT, ataupun untuk keperluan lainnya.

Polaritas Additif

Jenis polaritas additif pada trafo menunjukan pola lilitan primer dan sekunder yang terbalik. Sehingga jika salah satu sisi trafo dihubungkan paralel maka jumlah fluks yang dihasilkan akan meningkat dan diperoleh beda potensial lebih besar.

Polaritas Subtraktif

Berbeda dengan polaritas additif, polaritas subtraktif akan menghasilkan fluks dan beda potensial yang lebih kecil. Hal ini dikarenakan pola lilitan primer dan sekunder yang diparalel memiliki arah putaran yang berbeda sehingga fluks saling mengurangi.

Pahami lebih dalam hubungan hubungan trafo dengan bank kapasitor dalam artike : Simulasi Optimal Capacitor Placement Dengan ETAP

Konstruksi Transformator

Prinsip dasar dari trafo adalah ketika kumparan primer memiliki beda potensial maka akan menghasilkan fluks magnet, kemudian fluks dihantarkan oleh media inti besi. Sehingga di sisi lain inti besi fluks akan diterima oleh kumparan sekunder dan dirubah menjadi beda potensial.

Sesuai dengan prinsip yang kita pahami, dapat kita ambil pemahaman bahwa konstruksi dasar dari trafo adalah kumparan dan inti besi.

Inti Trafo

Bagian inti dari trafo dirancang untuk menyediakan jalur bagi medan magnet untuk bergerak pada alirannya. Seperti yang sudah kita ketahui bahwa gerakan medan magnet akan membentuk garis-garis magnet yang bergerakan menuju arah yang sama.

Untuk menyediakan jalur pada tiap-tiap garis magnet tersebut, bagian inti sengaja dibuat dari besi yang tersusun berlapis-lapis. Lapisan atau laminasi harus dibuat searah dengan arah gerakan medan magnet hasil induksi dari kumparan primer.

Selain membuat inti trafo sebagai sebuah laminasi, bentuk inti trafo juga akan mempengaruhi seberapa besar medan magnet yang dapat ditangkap oleh kumparan sekunder. Oleh karena itu, dalam desain trafo dikenal dua model inti besi yang sering digunakan. Dua model ini adalah bentuk laminasi cangkang / shell (E-I) dan bentuk laminasi core (U-I).

Berdasarkan cara menghantarkan medan magnet, kedua bentuk laminasi ini memiliki ciri khas yang berbeda. Laminasi bentuk core akan melilitkan kumparan primer dan sekunder di dua sisi yang terpisah. Dengan lilitan yang seperti ini, kumparan sekunder hanya akan menerima setengah fluks magnet dari seluruh fluks magnet yang dikeluarkan oleh kumparan primer. Sedangkan setengah dari sisanya akan terbuang. Peristiwa ini sering disebut sebagai kebocoran fluks (leakage flux).

Sedangkan untuk laminasi bentuk cangkang, kumparan primer dan sekunder berada pada satu sisi yang sama. Hal ini memungkinkan kumparan sekunder untuk menerima fluks magnet dari sisi kiri maupun sisi kanan inti besi. Sehingga fluks yang ditangkap semakin banyak dan leakage flux dapat dikurangi.

Kumparan Trafo

Bagian kumparan trafo memberikan pengaruh penting pada konstruksi transformator. Kumparan primer akan terhubung dengan sumber tegangan, sedangkan kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan dari proses induksi elektromagnetik.

Jika tegangan output sekunder lebih rendah dari tegangan input primer maka dikenal sebagai trafo step-down. Jika tegangan output lebih tinggi dari tegangan input primer maka dikenal sebagai trafo step-up. Besaran tegangan yang dihasilkan ini bergantung dari perbandingan jumlah lilitan yang terdapat baik pada kumparan primer maupun sekunder.

Selain jumlah lilitan, jenis bahan kawat lilitan juga berpengaruh terhadap proses induksi. Jenis kawat yang umum digunakan sebagai kumparan adalah aluminium dan tembaga. Kawat aluminium lebih ringan dan umumnya lebih murah daripada kawat tembaga. Pada sistem transmisi daya umumnya membutuhkan konduktor yang cukup besar dan banyak untuk menghantarkan listrik. Sehingga sistem transmisi dan distribusi daya listrik biasanya menggunakan kawat aluminium.

Sedangkan untuk kawat jenis tembaga biasanya digunakan pada transformator dengan kVA kecil dan sirkuit listrik tegangan rendah lainnya. Hal ini karena kawat tembaga cenderung memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan ukuran konduktor lebih kecil dari aluminium. Meskipun begitu, kelemahan kawat tembaga adalah memiliki massa yang lebih berat dari aluminium.

SifatTembagaAluminium
Konduktivitas Listrik pada suhu 20oC (%)10062
Konduktivitas Panas pada suhu 20oC (Cal/cm2)0,9410,57
Kepadatan Massa (g/cm3)8,942,70
Titik Lebur (oC)1083660
Modulus Young (GPa)110 – 12870

Persamaan Dasar Transformator

Jika kumparan primer dihubungkan dengan tegangan AC, maka listrik akan mengalir pada kumparan primer sebesar Ip. Arus listrik Ip akan membangkitkan fluks magnet bolak-balik yang melewati inti trafo. Jika kumparan primer dan sekunder adalah induktif murni (L), maka arus Ip akan tertinggal 90o dari VAC.

Dengan:
Vp=Tegangan input kumparan primer sesaat.
VM=Tegangan input maksimum kumparan primer
Dengan:
Ip=Arus kumparan primer sesaat.
IM=Arus input maksimum kumparan primer
Dengan:
φs=Fluks magnet sesaat.
φM=Fluks magnet maksimum
Dengan:
φM=Fluks magnet (Weber/Wb)
B=Kerapatan fluks magnet (Wb/m2 atau Tesla).
A=Luas penampang inti besi trafo (m2).

Berdasarkan hukum faraday, kumparan sekunder akan membangkitkan tegangan induksi E2. Dengan cara yang sama, pada kumparan primer juga akan menghasilkan tegangan induksi E1. Saat beban dipasang pada kumparan sekunder, maka arus akan mengalir pada kumparan sekunder melewati beban.

Fluks yang berubah-ubah pada kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan induksi e2.

Nilai efektif atau RMS dari e2 adalah

Dengan:
e2=Tegangan induksi kumparan sekunder (Volt)
E2=Tegangan induksi efektif kumparan sekunder (Volt)
φM=Fluks magnet maksimum yang melewati kumparan sekunder. (Wb/Voltdetik)
N2=Jumlah lilitan kumparan sekunder.

Fluks yang melewati kumparan sekunder secara ideal juga bergerak melewati kumparan primer. Sehingga pada kumparan primer juga terbentuk tegangan induksi e1 dan E1 dengan cara yang serupa.

Nilai efektif atau RMS dari e1 adalah

Dengan:
e1=Tegangan induksi kumparan primer (Volt)
E1=Tegangan induksi efektif kumparan primer (Volt)
φM=Fluks magnet maksimum yang melewati kumparan primer. (Wb/Voltdetik)
N1=Jumlah lilitan kumparan primer.

Dari beberapa persamaan di atas, dapat dipahami bahwa nilai tegangan induksi berbanding lurus dengan jumlah lilitan. Sehingga diperoleh perbandingan transformasi sebagai berikut.

Dengan:
k=Konstanta transformasi

Dalam pembelajaran secara teori, trafo ideal mampu mendistribusikan semua daya listrik dari sisi primer menuju sisi sekunder. Sehingga, daya di sisi kumparan primer sama dengan daya di sisi kumparan sekunder.

Contoh Soal

Sebuah trafo ideal tertulis 5000 V/ 250 V, dengan frekuensi 50 Hz. Kecepatan garis fluks magnet, B = 1,2 Wb/m2. Jika tiap titik kumparan menghasilkan tegangan sebesar 7 Volt, hitunglah :
Jumlah lilitan primer dan sekunder
Luas penampang inti trafo
Konstanta transformasi dan jenis trafo

Jawab :

Sahabat pustaka, pembelajaran tentang trafo belum selesai sampai di sini ya. Untuk bagian dua dan selanjutnya akan saya bagikan di kesempatan yang lain. Jangan lupa berlangganan artikel dari kami untuk mendapatkan pemberitahuan dari kami.

Bagaimana sistem proteksi jaringan listrik yang melibatkan trafo distribusi? Temukan jawabannya dalam artikel : Simulasi Koordinasi Proteksi dengan ETAP

Referensi :

  1. Electronics Tutorials – Transformer Construction