Transformator - Pengertian, Fungsi, Rumus, Jenis & Prinip Kerjanya

Pengertian Transformator / Trafo

Transformator atau kadang lebih dikenal dengan istilah trafo adalah peralatan yang digunakan untuk memindahkan atau menyalurkan tenaga listrik antara dua rangkaian listrik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.

Secara lebih khusus, Trafo atau Transformator adalah peralatan listik yang berguna dalam mengubah taraf tegangan listrik contohya dengan transformator maka  taraf tegangan AC dapat diubah ke taraf tegangan berbeda.

Yang dimaksud dengan mengubah taraf tegangan misalnya tegangan 110V dapat dinaikkan menjadi 220V atau sebaliknya tegangan 220V dapat diturunkan menjadi 110V, sebagai catatan, Trafo bekerja dengan prinsip induksi elektromagnetik dan hanya dapat digunakan untuk arus tegangan AC.

Gambar Bentuk dan Simbol Trafo

Prinsip Kerja Transformator

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut.



Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik (AC), maka akan terjadi perubahan arus listrik pada kumparan primer sehingga menimbulkan medan magnet yang berubah.

Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada bagian ujung-ujung kumparan sekunder akan menimbulkan ggl induksi. Efek ini dinamakan Mutual Inductance (induktansi timbal-balik).

Pada skema transformator di bawah, 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.

Fungsi Trafo / Transformator

Adapun fungsi transformator atau Trafo lainnya yaitu :

• Transformator dapat digunakan untuk menaikkan serta menurunkan level tegangan pada sistem transmisi daya contohnya pada sistem transmisi dan distribusi.

• Transformator berguna juga dalam mengisolasi sirkuit tegangan rendah dari sirkuit tegangan tinggi pada gardu induk, juga sirkuit-sirkuit kontrol di industri, dll.

• Transformator instrumen contohnya seperti transformator potensial dan transforator arus dapat digunakan dalam sistem proteksi (relay pelindung) dan meter indikasi (voltmeter, ammeter)

• Transformator juga digunakan dalam melakukan pencocokan impedansi

• Trafo juga banyak digunakan dalam bidang sistem komunikasi pada rentang frekuensi audio sampai frekuensi radio dan video. 

• Transformator juga dapat berfungsi sebagai rectifier (Penyearah)

• Transformator juga sebagai regulator tegangan, Menstabilkan tegangan dan sebagai catu daya.

Umumnya jenis trafo yang dipakai dalam keperluan rangkaian elektronika berbeda fungsi dengan trafo yang dipakai dalam teknik listrik.

Pada trafo rangkaian elektronika memiliki ukuran yang kecil yang menghasilkan arus yang kecil pula baik trafo input atau trafo outputnya, sedangkan dalam keperluan teknik listrik menggunakan arus tegangan yang tinggi tetapi skema yang digunakan sama saja baik untuk trafo arus rendah, arus sedang dan arus tinggi..

Cara Kerja Trafo Pada Distibusi Tenaga Listrik.

Pada pembangkit listrik besar akan menghasikan tegangan listrik dengan tegangan dari 11 kV sampai 24 kV, kemudian dengan menggunakan transformator step up, tegangan yang berasal dari gardu induk dinaikan hingga tegangannya meningkat mencapai 70 kV ,154kV, 220kV atau 500kV yang kemudian disalurkan melalui saluran transmisi.

Tujuan dari dinaikkannya tegangan ialah untuk memperkecil kerugian daya listrik pada saluran transmisi, dimana dalam hal ini:

Dengan daya yang sama bila nilai tegangannya diperbesar, maka arus yang mengalir semakin kecil sehingga kerugian daya juga akan kecil pula, dimana kerugian daya adalah sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir (I2R).

Jenis Trafo / Transformator

Trafo terbagi kedalam beberapa jenis yang didasarkan pada fungsi / kegunaanya, yaitu

Trafo Step-up

Tafo ini berfungsi sebagai penaik tegangan, tranformator ini biasanya ditemukana pada area pembangkit tenaga listrik yang berfungi sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan yang lebih tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh. Ciri dari trafo ini adalah jumlah lilitan primer lebih sedikit dibanding lilitan sekunder.

Trafo Step-Down

Trafo ini berfungsi sebagai penurun tegangan, tranfsormator jenis ini paling mudah ditemukan seperti dalam adaptor AC-DC. Ciri trafo ini adalah jumlah lilitan primer lebih banyak dibanding lilitan sekunder.

Autotransformator

Trafo jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut secara listrik, dengan sadapan tengah. Pada trafo jenis ini, sebagian lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Harus diingat bahwa Fasa arus dalam lilitan primer akan selalu terbalik atau berlawanan arah dengan arus sekunder, oleh karena itu dibandingkan dengan transformator biasa, pada autotransformator lilitan sekunder dapat disusun dari kawat yang lebih tipis karena memiliki tarif daya yang sama.

Keunggulan dari autotransofmator adalah hanya menghasilkan kerugian yang lebih sedikit (losses)
jika dibandingkan dengan transformator dua lilitan, disamping itu transformator ini jga berukuran kecil, tetapi karena sebagian lilitan primernya merupakan lilitan sekunder maka autotransformator tidak dapat memberikan isolasi listrik antara kedua lilitannya

Sebagai tambahan, autotransformator ini tidak dapat digunakan sebagai trafo step-up berulang kali (dalam keadaan normal umumnya tidak lebih dari 1,5 kali).

Autotransformator Variabel

Perbedaan autotransformator dengan transformator variabel ada pada perbandingan jumlah lilitan primer dan lilitan sekundernya yang berubah-ubah, hal ini dikarenakan sadapan tengahnnya dapat diubah-ubah

Transformator Isolasi

Salah satu ciri transformator isolasi adalah jumlah lilitan primer sama dengan jumlah lilitan sekundernya, dengan kata lain tegangan pada primer sama dengan tegangan sekunder. Meskipun pada beberapa desain transformator isolasi, untuk mengkompensasi kerugian maka jumlah gulungan sekundernya dibuat sedikit lebih banyak dibanding gulungan primer .

Transformator Pulsa

Transformator pulsa adalah tipe transformator yang didesain khusus untuk menyalurkan output berupa gelombang pulsa. Transformator pulsa menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga fluks magnet akan berhenti berubah apabila arus primer telah mencapai titik tertentu, .

Karena GGL induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh, yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

Transformator Tiga Fase

Transformator tiga fase (3-phase) secara sederhana dapat kita artikan sebagai gabungan dari tiga transformator yang saling berhubungan. Dimana pada liilitan primer dihubungkan secara bintang (Y) sedangkan pada lilitan sekunder dihubungkan secara delta.

Baca Juga : 15 Jenis Transformator Yang Umum Digunakan

Rangkaian Ekivalen Transformator (Equivalent Transformator)

Rangkaian ekivalent dari sebuah mesin atau perangkat elektronik hanya merupakan interpretasi dari persamaan yang menggabungkan resistor tetap / resistor variabel dan reaktansi, yang secara tepat mensimulasikan atau menggambarkan perilaku lengkap mesin.

Secara umum, masalah yang berkaitan dengan tegangan dan arus transformator dapat diselesaikan dengan menggunakan diagram fasor. Namun, untuk memudahkan perhitungannya, jauh lebih mudah dengan menggunakan rangkaian ekivalen transformator.

Dengan menerapkan teori rangkaian langsung ke rangkaian ekivalen transformator ini, maka kita dapat dengan mudah mengetahui arus dan tegangan pada sebuah transformator.

Gambar di atas menunjukkan rangkaian ekivalen dari sebuah transformator di mana kita dapat membayangkan bahwa tahanan dan reaktansi dari belitan primer dan sekunder adalah eksternal (ditunjukkan secara terpisah) terhadap belitan.

Arus tanpa beban, Io adalah kombinasi komponen Iu yang menarik dan komponen aktif Iw.

Maka dari itu, efek arus magnetisasi dinyatakan sebagai Xo dan efek pada komponen aktif atau komponen non inti (core loss component) diwakili oleh Ro resistif non induktif.

Ro dan Xo keduanya terhubung melalui belitan primer seperti yang ditunjukkan pada gambar. Kombinasi paralel ini disebut sebagai rangkaian ekivalen transofmator pada kondisi tanpa beban.

Ketika beban terhubung ke sekunder, arus I2 saat ini mulai mengalir melalui sirkuit sekunder dan menyebabkan penurunan tegangan melewati X2 dan R2.

Seperti yang telah dijelaskan, karena arus I2 sekunder, maka arus utama akan menarik lebih banyak arus. Jadi arus utama I1 menyebabkan penurunan yang cukup besar pada R1 dan X1.

Untuk perhitungannya sederhana, maka rangkaian ekuivalen transformator selanjutnya disederhanakan dengan mentransfer resistansi dan reaktansi sekunder ke sisi primer sehingga rasio E2 / E1 tidak terpengaruh dalam fase maupun besarannya.

Ekivalen primer dari EMF sekunder yaitu

E2’ = E2/K

Dimana K adalah rasio perubahan

Sama halnya dengan ekivalen primer dari tegangan terminal sekunder yaitu

V2’ = V2/K

Maka ekivalen primer dari  arus sekunder adalah

I2’ = I2/K

Kita biarkan R2’ adalah hambatan yang akan ditransfer ke sisi primer yang menghasilkan penurunan primer sama seperti yang dihasilkan di sekunder.

Jadi I2’R2’ adalah jatuh tegangan primer oleh R2’. Sehingga ditemukan bahwa rasio I2’R2’ dan I2R2 harus sama dengan N1 / N2 (rasio berubah).

Maka,

R1’ = K2R1

X1’= K2X1

Dengan menggunakan cara yang sama, maka resistensi dan reaktansi beban juga dapat ditransfer ke sisi primer, dengan mentransfer semua nilai ini, rangkaian ekivalen yang tepat dari transformator ditunjukkan di bawah ini.

Kerugian Dalam Transformator (Losses in Transformator)

Karena trafo atau trransformator tidak memiliki bagian yang bergerak dan kerugian mekanik tidak terjadi pada transformator.

Maka dari itulah, kerugian pada transformator dapat dianggap sebagai kerugian energi listrik, oleh karena itu kerugian pada transformator dibagi atas kerugian inti dan kerugian tembaga. 

Kerugian dalam tansformator selanjutnya kita sebut rugi-rugi transformator, kerugian inti dan kerugian tembaga selanjutnya kita sebut rugi inti dan rugi tembaga.

Rugi Inti (Besi)

Adapun yang termasuk kedalam rugi inti yaitu rugi histeresis dan rugi arus eddy.

Fluks magnet yang diatur dalam inti transformator adalah tipe bolak-balik, dengan demikian akan mengalami siklus magnetisasi dan demagnetisasi.

Selama ini, diperlukan energi yang sesuai untuk melakukan pembalikan terus menerus pada magnet dasar inti besi. Inilah yang kita sebut sebagai efek histeresis karena adanya kehilangan energi yang cukup besar.

Hysteresis loss = Kh Bm1.67f v Watt

Dimana,

Kh = Konstanta Histeresis

Bm = Kerapatan fluks maksimum

f = Frekuensi

v = Jumlah core

Karena inti transformator terbuat dari bahan feromagnetik yang juga merupakan konduktor yang baik, oleh karenanya fluks magnet yang terhubung dengan inti menginduksi ggl dalam inti.

Oleh karena itu, inti besi akan mengatur arus eddy di inti, sehingga pada inti besi akan terjadi rugi arus eddy yang cukup besar.

Eddy Current losses = Ke Bm2f2t2 W/unit volume

Dimana,

Ke = Konstanta arus eddy

t = Ketebalan inti

Dari dua persamaan di atas, harus diperhatikan bahwa tegangan suplai pada frekuensi tetap adalah konstan dan karena itu fluks densitas dalam inti hampir konstan, sehingga rugi histeresis dan arus eddy akan konstan pada semua beban.

Dari konsep inilah rugi inti kadang juga disebut sebagai rugi konstan.

Dengan menggunakan bahan inti kualitas tinggi seperti baja silikon yang memiliki loop histeresis sangat rendah, rugi histeresis dapat diminimalkan atau dikurangi.

Adapun untuk rugi arus eddy dapat diminimalkan dengan menggunakan inti laminasi, dengan menggunakan rangkaian terbuka pada transformator kita dapat mengukur rugi inti atau rugi konstan.

Rugi Tembaga

Kerugian tembaga terjadi pada hambatan lilitan transformator ketika membawa arus beban, total rugi tembaga pada transformator diperoleh dengan menggabungkan rugi tembaga primer dan sekunder.

Total rugi tembaga pada tranformator dapat ditemukan dengan melakukan hubung singkat pada trafo.

Adapun Kerugian (losses) lain pada transformator yaitu rugi dielektrik dan rugi beban liar (stray load losses), rugi dielektrik terjadi pada bahan isolasi seperti oli dan isolasi padat transformator dan rugi beban liar adalah hasil dari arus eddy di tangki dan gulungan konduktor.

Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator adalah rasio daya keluaran dengan daya input transformator pada faktor daya dan beban tertentu.

Adapaun rumus efisiensi transformator yaitu

ɳ = (Pout / Pin) x 100%

Dimana,

ɳ = Efisiensi Transformator
Pout = Daya output pada kumparan sekunder
Pin = Daya Input pada kumparan primer

Disamping itu, ada juga rumus turunan efisiensi transformator yaitu

ɳ = (Pin – Losses) / (Pin) x 100%

atau

ɳ = (Pout / (Pout + Copper loss + Core loss) x 100%

atau

ɳ = (Vs x Is / Vp x Ip) x 100%

atau

ɳ = (Ns x Is / Np x Ip) x 100%

Dimana,

ɳ  : Efisiensi Trafo

Ip : Arus Primer

Is : Arus Sekunder

Vp : Tegangan Primer

Vs : Tegangan Sekunder

Np : Lilitan primer

Ns : Lilitan sekunder