Cara kerja transformator pada jaringan distribusi

Transformator, atau kerap disebut dengan ‘trafo’, merupakan suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain melalui suatu gandengan magnet yang berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Trafo digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan trafo dalam sistem tenaga memungkinkan pemilihan tegangan yang sesuai secara ekonomis dan teknis untuk kebutuhan beban atau permintaan konsumen, misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam proses transmisi daya listrik jarak jauh. Dalam bidang elektronika, trafo digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban, untuk memisahkan satu rangkaian dengan rangkaian yang lain serta menghambat arus searah dengan tetap mengalirkan arus bolak-balik antar rangkaian. Trafo memiliki frekuensi kerja yang berbeda-beda sesuai penggunaannya yang bergantung kebutuhan beban/konsumen.
Secara umum, trafo terdiri atas beberapa bagian, yaitu: bagian utama trafo, bagian supporting, dan juga peralatan proteksi. Penjelasan mengenai beberapa bagian trafo dapat dilihat pada gambar berikut ini:
Gambar 1-Konstruksi Trafo beserta bagian-bagiannya
Gambar 1-Konstruksi Trafo beserta bagian-bagiannya
Sedangkan bagian utama trafo terdiri dari inti besi, kumparan primer dan kumparan sekunder:
Gambar 2-Bagian utama trafo (sumber : www.wikipedia.org)
Gambar 2-Bagian utama trafo (sumber : www.wikipedia.org)
Trafo dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan level tegangan AC, yang mana hal ini berguna untuk membantu sistem transmisi tenaga listrik. Mengapa harus ada perubahan level tegangan? Setelah listrik terbangkitkan melalui generator pada pembangkit listrik, level tegangannya akan dinaikkan menggunakan trafo step-up. Ketika proses transmisi daya listrik, dengan tegangan yang lebih tinggi maka akan didapatkan arus yang lebih rendah sehingga dapat menekan kerugian daya yang terjadi selama proses transmisi. Oleh karena itu, trafo banyak digunakan untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi dalam proses transmisi daya listrik dari satu tempat ke tempat lain melalui proses menaik-turunkan level tegangan. Setelah daya listrik ditransmisikan, maka level tegangannya dapat diturunkan kembali sesuai dengan kebutuhan konsumen menggunakan trafo step-down.
Gambar 3-Proses transformasi level tegangan pada trafo (sumber :www.learnengineering.org)
Gambar 3-Proses transformasi level tegangan pada trafo (sumber :www.learnengineering.org)
Pada trafo, terdapat dua hukum utama yang bekerja, yaitu: hukum induksi Faraday dan hukum Lorentz. Hukum Faraday menyatakan bahwa gaya listrik yang melalui garis lengkung tertutup berbanding lurus dengan perubahan arus induksi persatuan waktu pada garis lengkung tersebut, sehingga apabila ada suatu arus yang melalui sebuah kumparan maka akan timbul medan magnet pada kumparan tersebut. Sedangkan hukum Lorentz menjelaskan bahwa 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 memiliki perbedaan tegangan pada kedua ujung lilitannya.


Bagaimana Prinsip Kerja Trafo?


Prinsip kerja dari trafo melibatkan bagian-bagian utama pada trafo, yaitu: kumparan primer, kumparan sekunder dan inti trafo. Kumparan tersebut mengelilingi inti besi dalam bentuk lilitan. Apabila kumparan pada sisi primer trafo dihubungkan dengan suatu sumber tegangan bolak-balik sinusoidal (Vp), maka akan mengalir arus bolak-balik yang juga sinusoidal (Ip) pada kumparan tersebut. Arus bolak-balik ini akan menimbulkan fluks magnetik (Ф) yang sefasa dan juga sinusoidal di sekeliling kumparan. Akibat adanya inti trafo yang menghubungkan kumparan pada sisi primer dan kumparan pada sisi sekunder, maka fluks magnetik akan mengalir bersama pada inti trafo dari kumparan primer menuju kumparan sekunder sehingga akan membangkitkan tegangan induksi pada sisi sekunder trafo:
rumus1
Dimana :
Vs = tegangan induksi pada sisi sekunder
Ns = jumlah belitan pada sisi sekunder
dФ/dt = perubahan fluks terhadap waktu
Dari persamaan tersebut diketahui bahwa tegangan induksi yang terbangkitkan pada kumparan trafo berbanding lurus dengan jumlah lilitan kumparan pada inti trafo. Selain itu, tegangan induksi juga dapat terbangkitkan apabila ada perubahan fluks terhadap waktu, jika fluks yang mengalir adalah konstan maka tegangan induksi tidak dapat terbangkitkan.
Setiap trafo juga memiliki suatu besaran yang dinamakan perbandingan transformasi (a), untuk menunjukkan perbandingan lilitan atau perubahan level tegangan dan arus pada sisi primer dan sekunder yang ditransformasikan pada trafo tersebut. Berikut perumusannya:
rumus2
Gambar 4-Ilustrasi prinsip kerja trafo (sumber : www.electrical4u.com)
Gambar 4-Ilustrasi prinsip kerja trafo (sumber : www.electrical4u.com)
Gambar 5-(a) timbulnya fluks magnetik pada sisi primer, (b) terbangkitnya tegangan induksi pada sisi sekunder akibat fluks bersama (sumber : www.learnengineering.org)
Gambar 5-(a) timbulnya fluks magnetik pada sisi primer, (b) terbangkitnya tegangan induksi pada sisi sekunder akibat fluks bersama (sumber : www.learnengineering.org)
Pembahasan di atas merupakan penjelasan trafo dalam keadaan tanpa beban, bagaimana jika trafo dihubungkan pada beban di sisi sekundernya ?
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, maka akan mengalir I2 pada kumparan sekunder trafo, dimana besarnya I2dapat dirumuskan sebagai berikut:
I2 = V2 / ZL
Arus beban Iini akan menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) atau fluks yang cenderung berlawanan dengan fluks bersama (Ф) yang telah ada akibat arus pemagnetan pada sisi primer. Agar fluks bersama tersebut nilainya tidak berubah akibat pengaruh ggm yang berlawanan, maka pada kumparan primer harus mengalir arus I2 dan menimbulkan fluks Ф2’ yang menentang fluks akibat arus beban I2.
Gambar 6-Ilustrasi trafo berbeban (sumber : sapoean.wordpress.com)
Gambar 6-Ilustrasi trafo berbeban (sumber : sapoean.wordpress.com)