Teori Dasar Transformator (trafo)

Transformator atau trafo adalah perangkat listrik yang terdiri dari dua atau lebih kumparan kawat yang digunakan untuk mentransfer energi listrik dengan cara mengubah medan magnet.

Salah satu alasan utama kita menggunakan tegangan dan arus AC bolak-balik di rumah dan tempat kerja kita adalah bahwa supply AC dapat dengan mudah dihasilkan pada tegangan yang nyaman, transformed atau diubah (karenanya diberi nama transformator) menjadi tegangan yang jauh lebih tinggi dan kemudian didistribusikan ke seluruh negeri menggunakan jaringan tiang dan kabel nasional jarak yang sangat jauh.

Alasan untuk mengubah tegangan ke tingkat yang jauh lebih tinggi adalah karena tegangan distribusi yang lebih tinggi menyiratkan arus yang lebih rendah untuk daya yang sama dan oleh karena itu lebih rendah kerugian I2*R di sepanjang jaringan kabel jaringan.

Baca juga : Jenis-jenis Transformator (trafo)

Tegangan dan arus transmisi AC yang lebih tinggi ini kemudian dapat direduksi menjadi level tegangan yang jauh lebih rendah, lebih aman, dan dapat digunakan di mana ia dapat digunakan untuk memasok peralatan listrik di rumah dan tempat kerja kita, dan semua ini dimungkinkan berkat dasar Transformator (trafo) Tegangan.

Trafo tegangan

Transformator (trafo) Tegangan dapat dianggap sebagai komponen listrik daripada komponen elektronik. Sebuah transformator pada dasarnya adalah perangkat listrik pasif elektromagnet statis (atau stasioner) yang sangat sederhana yang bekerja berdasarkan prinsip hukum Faraday induksi dengan mengubah energi listrik dari satu nilai ke nilai lainnya.

Transformator melakukan ini dengan menghubungkan bersama dua atau lebih rangkaian listrik menggunakan rangkaian magnetis berosilasi umum yang dihasilkan oleh transformator itu sendiri. Sebuah transformator beroperasi berdasarkan prinsip “Induksi Elektromagnetik”, dalam bentuk Mutual Induksi.

Induksi Timbal-balik atau Mutual Induksi adalah proses dimana kumparan kawat secara magnetis menginduksi tegangan ke kumparan lain yang terletak di dekatnya. Kemudian kita dapat mengatakan bahwa transformator bekerja di "domain magnetis", dan Transformator mendapatkan namanya dari kenyataan bahwa mereka "mengubah" satu level tegangan atau arus menjadi yang lain.

Transformator mampu meningkatkan atau menurunkan level tegangan dan arus supply mereka, tanpa mengubah frekuensinya, atau jumlah daya listrik yang ditransfer dari satu gulungan ke gulungan lainnya melalui rangkaian magnetis.

Sebuah transformator tegangan fasa tunggal pada dasarnya terdiri dari dua kumparan kawat listrik, satu disebut "Gulungan Primer" dan yang lainnya disebut "Gulungan Sekunder". Untuk tutorial ini kita akan mendefinisikan sisi "primer" dari transformator sebagai sisi yang biasanya mengambil daya, dan "sekunder" sebagai sisi yang biasanya memberikan daya. Dalam transformator tegangan satu fasa primer biasanya sisi dengan tegangan yang lebih tinggi.

Kedua kumparan ini tidak berada dalam kontak listrik satu sama lain tetapi sebaliknya dibungkus bersama di sekitar rangkaian besi magnet umum tertutup yang disebut "inti". Inti besi lunak ini tidak solid tetapi terbuat dari laminasi individual yang dihubungkan bersama untuk membantu mengurangi kerugian inti.

Dua gulungan coil diisolasi secara elektrik dari satu sama lain tetapi secara magnetis dihubungkan melalui inti bersama yang memungkinkan tenaga listrik ditransfer dari satu coil ke coil lainnya. Ketika arus listrik melewati gulungan primer, medan magnet dikembangkan yang menginduksi tegangan ke gulungan sekunder seperti yang ditunjukkan.

Transformator (trafo) Tegangan Fasa-Tunggal

Trafo tegangan fasa tunggal

Dengan kata lain, untuk transformator tidak ada sambungan listrik langsung antara dua gulungan coil, sehingga dinamai juga sebagai Isolasi Transformator. Secara umum, gulungan primer transformator terhubung ke supply tegangan input dan mengubah atau transform daya listrik menjadi medan magnet. Sementara tugas gulungan sekunder adalah mengubah medan magnet bolak-balik ini menjadi daya listrik yang menghasilkan tegangan output yang diperlukan seperti yang ditunjukkan.

Konstruksi Transformator (trafo) Fasa-Tunggal

Konstruksi trafo fasa tunggal

Dimana:
VP - adalah Tegangan Primer
VS - adalah Tegangan Sekunder
NP - adalah Jumlah Gulungan Primer
NS - adalah Jumlah Gulungan Sekunder
Φ(phi) - adalah Flux Linkage

Perhatikan bahwa kedua gulungan coil tidak terhubung secara listrik tetapi hanya dihubungkan secara magnetis. Transformator 1-fasa tunggal dapat beroperasi untuk menambah atau mengurangi tegangan yang diterapkan pada gulungan primer. Ketika sebuah transformator digunakan untuk “menambah” tegangan pada gulungan sekundernya sehubungan dengan primer, itu disebut transformator Step-up. Ketika dipakai untuk "mengurangi" tegangan pada gulungan sekunder sehubungan dengan primer itu trafo disebut transformator Step-down

Namun, kondisi ketiga ada di mana transformator menghasilkan tegangan yang sama pada sekundernya seperti yang diterapkan pada gulungan primernya. Dengan kata lain, outputnya identik dengan tegangan, arus, dan daya yang ditransfer. Jenis transformator ini disebut "Impedansi Transformator" dan terutama digunakan untuk pencocokan impedansi atau isolasi rangkaian listrik yang berdampingan.

Perbedaan tegangan antara primer dan gulungan sekunder dicapai dengan mengubah jumlah putaran coil di gulungan primer ( NP ) dibandingkan dengan jumlah coil putaran pada gulungan sekunder ( NS ).

Karena transformator pada dasarnya adalah perangkat linier, sekarang ada rasio antara jumlah gulungan kumparan primer dibagi dengan jumlah putaran kumparan sekunder. Rasio ini, disebut rasio transformasi, lebih dikenal sebagai transformator "rasio putaran/turns", ( TR ). Nilai rasio belokan/putaran ini menentukan operasi transformator dan tegangan yang sesuai tersedia pada gulungan sekunder.

Adalah perlu untuk mengetahui perbandingan jumlah lilitan kawat pada gulungan primer dibandingkan dengan gulungan sekunder. Rasio putaran, yang tidak memiliki unit, membandingkan dua gulungan secara berurutan dan ditulis dengan titik dua, seperti 3:1 (3 banding 1). Ini berarti dalam contoh ini, bahwa jika ada 3 volt pada gulungan primer akan ada 1 volt pada gulungan sekunder, 3 volt-ke-1 volt. Kemudian kita dapat melihat bahwa jika rasio antara jumlah putaran/belokan berubah, tegangan yang dihasilkan juga harus berubah dengan rasio yang sama, dan ini benar.

Transformator adalah semua tentang "rasio". Rasio primer ke sekunder, rasio input ke output, dan rasio putaran dari setiap transformator yang diberikan akan sama dengan rasio tegangannya. Dengan nama lain untuk transformator: “rasio putaran = rasio tegangan”. Jumlah aktual lilitan kawat pada putaran apa pun umumnya tidak penting, hanya rasio gulungan dan hubungan ini diberikan sebagai:

Rasio Putaran/Gulungan Transformator (trafo)

Rasio putaran/gulungan trafo

Dengan asumsi transformator ideal dan sudut fasa: ΦP ≡ ΦS

Perhatikan bahwa urutan angka ketika mengekspresikan putaran transformator nilai rasio sangat penting karena rasio putaran 3:1 menyatakan hubungan transformator yang sangat berbeda dan tegangan output dari satu di mana rasio putaran diberikan sebagai: 1:3.

Contoh: Dasar Transformator (trafo) No.1

Transformator (trafo) tegangan memiliki 1500 lilitan kawat pada kumparan primer dan 500 lilitan kawat untuk kumparan sekundernya. Apa yang akan menjadi rasio putaran (TR) dari transformator.

Dasar transformator (1)

Rasio 3:1 (3 banding 1) ini berarti bahwa ada tiga gulungan primer untuk setiap satu gulungan sekunder. Ketika rasio bergerak dari angka yang lebih besar di sebelah kiri ke angka yang lebih kecil di sebelah kanan, tegangan primer karenanya turun nilainya seperti yang ditunjukkan.

Contoh: Dasar Transformator (trafo) No/2

Dasar transformator (2)

Jika 240 volt rms diterapkan pada gulungan primer trafo yang sama di atas, apa yang akan terjadi sekunder tanpa tegangan beban.

Sekali lagi mengkonfirmasikan bahwa transformator adalah transformator "step-down" karena tegangan primer 240 volt dan tegangan sekunder yang sesuai lebih rendah pada 80 volt.

Kemudian tujuan utama sebuah transformator adalah untuk mengubah tegangan pada rasio yang telah ditetapkan dan kita dapat melihat bahwa gulungan primer memiliki jumlah gulungan yang ditentukan (gulungan kawat) di atasnya untuk menyesuaikan dengan tegangan input.

Jika tegangan output sekunder memiliki nilai yang sama dengan tegangan input pada gulungan primer, maka jumlah putaran kumparan yang sama harus dililitkan ke inti sekunder karena ada pada inti primer yang memberikan rasio putaran rata-rata 1:1 (1-ke-1). Dengan kata lain, satu gulungan putaran sekunder ke satu gulungan putaran primer.

Jika tegangan output sekunder lebih besar atau lebih tinggi dari tegangan input, (transformator step-up) maka harus ada lebih banyak putaran pada sekunder yang memberikan rasio putaran 1: N (1-ke-N), di mana N mewakili nomor rasio putaran. Demikian juga, jika diperlukan bahwa tegangan sekunder harus lebih rendah atau kurang dari primer, (transformator step-down) maka jumlah gulungan sekunder harus kurang memberikan rasio putaran N: 1 (N-ke-1).

Aksi Transformator (trafo)

Kita telah melihat bahwa jumlah gulungan yang berputar pada gulungan sekunder dibandingkan dengan gulungan primer, rasio putaran, mempengaruhi jumlah tegangan yang tersedia dari coil sekunder. Tetapi jika kedua gulungan diisolasi secara elektrik dari satu sama lain, bagaimana tegangan sekunder ini dihasilkan?

Kami telah mengatakan sebelumnya bahwa transformator pada dasarnya terdiri dari dua kumparan yang melilit inti besi lunak yang umum. Ketika tegangan bolak-balik ( VP ) diterapkan pada kumparan primer, arus mengalir melalui kumparan yang pada gilirannya membuat sebuah medan magnet di sekitar itu sendiri, yang disebut Induktansi, oleh aliran arus ini sesuai dengan Hukum Faraday induksi elektromagnetik. Kekuatan medan magnet bertambah ketika aliran arus naik dari nol ke nilai maksimumnya yang diberikan sebagai dΦ/dt.

Transformator

Ketika garis-garis magnetis dari pengaturan gaya oleh elektromagnet ini berkembang keluar dari coil, inti besi lunak membentuk jalur untuk dan memusatkan fluks magnet. Fluks Magnetis ini menghubungkan gulungan kedua gulungan saat ia meningkat dan menurun ke arah yang berlawanan di bawah pengaruh supply AC.

Namun, kekuatan medan magnet yang diinduksi ke dalam inti besi lunak tergantung pada jumlah arus dan jumlah gulungan dalam gulungan. Ketika arus berkurang, kekuatan medan magnet berkurang.

Ketika garis-garis magnet dari fluks mengalir di sekitar inti, mereka melewati gulungan gulungan sekunder, menyebabkan tegangan diinduksi ke coil sekunder. Jumlah tegangan yang diinduksi akan ditentukan oleh: N*dΦ/dt (Hukum Faraday), di mana N adalah jumlah putaran gulungan. Tegangan yang diinduksi ini juga memiliki frekuensi yang sama dengan tegangan gulungan primer.

Kemudian kita dapat melihat bahwa tegangan yang sama diinduksi di setiap putaran coil dari kedua gulungan karena fluks magnet yang sama menghubungkan putaram kedua gulungan bersama. Akibatnya, total tegangan yang diinduksi dalam setiap gulungan berbanding lurus dengan jumlah putaran pada gulungan itu. Namun, amplitudo puncak dari tegangan output yang tersedia pada gulungan sekunder akan berkurang jika kerugian magnetis inti tinggi.

Jika kita ingin kumparan primer untuk menghasilkan medan magnet yang lebih kuat untuk mengatasi inti kerugian magnetis, kita dapat baik mengirim arus yang lebih besar melalui kumparan, atau menjaga arus yang sama mengalir, dan bukannya meningkatkan jumlah putaran coil ( NP ) dari gulungan. Hasil ampere kali putaran disebut "ampere-turns", yang menentukan gaya magnetisasi coil.

Jadi anggaplah kita memiliki transformator dengan satu putaran di primer, dan hanya satu putaran di sekunder. Jika satu volt diterapkan pada satu putaran kumparan primer, dengan asumsi tidak ada kerugian, arus yang cukup harus mengalir dan fluks magnet yang cukup dihasilkan untuk menginduksi satu volt pada putaran tunggal sekunder. Artinya, setiap gulungan mendukung jumlah volt yang sama per putaran.

Karena fluks magnet bervariasi secara sinusoidal, Φ = Φmax sinωt, maka hubungan dasar antara ggl terinduksi, ( E ) dalam gulungan coil N diberikan oleh:

ggl = putaran x tingkat perubahan

Persamaan gg transformator (trafo)

Dimana:
ƒ - adalah frekuensi fluks dalam Hertz, = ω/2π
Ν - adalah jumlah gulungan coil
Φ - adalah jumlah fluks di weber

Ini dikenal sebagai Persamaan GGL Transformator (trafo). Untuk ggl gulungan primer, N akan menjadi jumlah putaran primer, ( NP ) dan untuk ggl gulungan sekunder, N akan menjadi jumlah putaran sekunder, ( NS ).

Juga harap dicatat bahwa karena Transformator memerlukan fluks magnet bolak-balik untuk beroperasi dengan benar, maka transformator tidak dapat digunakan untuk mengubah atau memasok tegangan atau arus DC, karena medan magnet harus berubah untuk menginduksi tegangan pada gulungan sekunder. Dengan kata lain, transformator JANGAN beroperasi pada tegangan DC kondisi stabil, hanya tegangan bolak-balik.

Jika gulungan primer transformator dihubungkan ke supply DC, Reaktansi Induktif gulungan akan nol karena DC tidak memiliki frekuensi, sehingga impedansi gulungan efektif karena itu akan sangat rendah dan hanya setara dengan resistansi tembaga yang digunakan. Dengan demikian gulungan akan menarik arus yang sangat tinggi dari supply DC menyebabkan ia terlalu panas dan akhirnya terbakar, karena seperti yang kita tahu I = V/R.

Contoh: Dasar Transformator (trafo) No.3

Sebuah transformator 1-fasa tunggal memiliki 480 putaran pada gulungan primer dan 90 putaran pada gulungan sekunder. Nilai maksimum kerapatan fluks magnetis adalah 1.1T ketika 2200 volt, 50Hz diterapkan pada gulungan primer transformator. Hitung:

a). Fluks maksimum di inti trafo.

Fluks maksimum di inti trafo

b). Area penampang inti trafo.

Area penampang inti trafo

c). Ggl diinduksi sekunder trafo.

Ggl induksi sekunder trafo

Daya Listrik dalam Transformator (trafo)

Salah satu parameter dasar transformator lainnya adalah peringkat daya. Peringkat daya transformator diperoleh dengan hanya mengalikan arus dengan tegangan untuk mendapatkan peringkat dalam Volt-ampere, ( VA ). Transformator 1-fasa tunggal kecil dapat diberi nilai volt-ampere saja, tetapi transformator daya yang jauh lebih besar dinilai dalam satuan Kilo volt-ampere, ( kVA ) di mana 1 kilo volt-ampere sama dengan 1.000 volt-ampere, dan unit Mega volt-amperes, ( MVA ) di mana 1 mega volt-ampere sama dengan 1 juta volt-ampere.

Dalam transformator yang ideal (mengabaikan kehilangan), daya yang tersedia di gulungan sekunder akan sama dengan daya di gulungan primer, mereka adalah perangkat dengan watt konstan dan tidak mengubah daya hanya dengan rasio tegangan ke arus. Jadi, dalam transformator ideal Rasio Daya sama dengan satu (kesatuan) sebagai tegangan, V dikalikan dengan arus, I akan tetap konstan.

Yaitu daya listrik pada satu level tegangan/arus pada primer diubah "transformed" menjadi daya listrik, pada frekuensi yang sama, ke level tegangan/arus yang sama pada sisi sekunder. Meskipun transformator dapat meningkatkan atau step-up (menurunkan atau step-down) tegangan, transformator tidak dapat meningkatkan daya. Jadi, ketika trafo meningkatkan tegangan, trafo menurunkan arus dan sebaliknya, sehingga daya output selalu pada nilai yang sama dengan daya input. Maka kita dapat mengatakan bahwa daya primer sama dengan daya sekunder, ( PP = PS ).

Daya dalam Transformator (trafo)

Daya dalam transformator

Dimana: ΦP adalah sudut fasa primer dan ΦS adalah sudut fasa sekunder.

Perhatikan bahwa karena kehilangan daya sebanding dengan kuadrat arus yang ditransmisikan, yaitu: I2R, meningkatkan tegangan, misalkan menggandakan (×2) tegangan akan menurunkan arus dengan jumlah yang sama, (÷2) sementara memberikan jumlah daya yang sama ke beban dan karena itu mengurangi kerugian dengan faktor 4. Jika tegangan ditingkatkan dengan faktor 10, arus akan berkurang dengan faktor yang sama mengurangi kerugian keseluruhan dengan faktor 100.

Efisiensi - Dasar Transformator (trafo)

Trafo tidak memerlukan bagian bergerak untuk mentransfer energi. Ini berarti bahwa tidak ada kehilangan gesekan atau angin yang terkait dengan mesin listrik lainnya. Namun, Transformator memang (kehilangan) dari jenis kerugian lain yang disebut "kerugian tembaga" dan "kerugian besi" tetapi umumnya ini cukup kecil.

Kerugian tembaga, juga dikenal sebagai kerugian I2R yaitu daya listrik yang hilang karena panas karena beredar arus di sekitar gulungan tembaga Transformator. Kerugian tembaga merupakan kerugian terbesar dalam pengoperasian transformator. Watt sebenarnya dari daya yang hilang dapat ditentukan (dalam setiap gulungan) dengan mengkuadratkan ampere dan mengalikannya dengan resistansi dalam ohm gulungan ( I2R ).

Kehilangan besi, juga dikenal sebagai Histerisis adalah kelambatan molekul magnetis di dalam inti, sebagai respons terhadap fluks magnet bolak-balik. Kondisi tertingga (atau diluar-fasa) ini disebabkan oleh fakta bahwa ia membutuhkan daya untuk membalikkan molekul magnetis; mereka tidak mundur sampai fluks mencapai kekuatan yang cukup untuk membalikkannya.

Pembalikannya menghasilkan gesekan, dan gesekan menghasilkan panas pada inti yang merupakan bentuk kehilangan daya. Histerisis dalam trafo dapat dikurangi dengan membuat inti dari paduan baja khusus.

Intensitas kehilangan daya pada transformator menentukan efisiensinya. Efisiensi transformator tercermin dalam hilangnya daya (watt) antara gulungan primer (input) dan sekunder (output). Maka efisiensi yang dihasilkan dari sebuah transformator adalah sama dengan rasio output daya dari gulungan sekunder, PS dengan input daya dari gulungan primer, PP dan karenanya tinggi.

Transformator yang ideal adalah 100% efisien karena memberikan semua energi yang diterimanya. Transformator nyata di sisi lain tidak 100% efisien dan pada beban penuh, efisiensi transformator adalah antara 94% hingga 96% yang cukup bagus. Untuk transformator yang beroperasi dengan tegangan dan frekuensi konstan dengan kapasitas yang sangat tinggi, efisiensi mungkin setinggi 98%. Efisiensi, η dari transformator diberikan sebagai:

Efisiensi Transformator (trafo)

Efisiensi transformator

Dimana: Input, Output dan Kerugian semuanya dinyatakan dalam satuan daya.

Umumnya ketika berhadapan dengan Transformator, watt primer disebut "volt-amp", VA untuk membedakannya dari watt sekunder. Maka persamaan efisiensi di atas dapat dimodifikasi untuk:

Persamaan efisiensi

Terkadang lebih mudah untuk mengingat hubungan antara input, output dan efisiensi transformator dengan menggunakan gambar. Di sini ketiga kuantitas VA, W dan η telah ditumpangkan menjadi sebuah segitiga yang memberikan daya dalam watt di bagian atas dengan volt-amp dan efisiensi di bagian bawah. Pengaturan ini mewakili posisi aktual setiap kuantitas dalam rumus efisiensi.

Segitiga Efisiensi Transformator (trafo)

Segitiga efisiensi transformator

dan mentransposisi jumlah segitiga di atas memberi kita kombinasi berikut dari persamaan yang sama:

Segitiga efisiensi transformator

Kemudian, untuk menemukan Watt (output) = VA x eff., atau untuk menemukan VA (input) = W/eff., atau untuk menemukan Efisiensi, ef. = W/VA, dll.

Ringkasan Dasar-Dasar Transformator (trafo)

Kemudian untuk meringkas tutorial dasar-dasar transformator ini. Sebuah Transformator mengubah tingkat tegangan (atau tingkat arus) pada gulungan input ke nilai lain pada gulungan output menggunakan medan magnet. Sebuah transformator terdiri dari dua kumparan yang diisolasi secara elektrik dan beroperasi pada prinsip hukum Faraday tentang “Induksi Timbal-balik”, di mana GGL diinduksi dalam kumparan sekunder transformator oleh fluks magnet yang dihasilkan oleh tegangan dan arus yang mengalir dalam gulungan kumparan primer.

Gulungan kumparan primer dan sekunder dililit inti besi lunak yang terbuat dari laminasi individual untuk mengurangi arus eddy dan kehilangan daya. Gulungan primer transformator terhubung ke sumber daya AC yang harus bersifat sinusoidal, sedangkan gulungan sekunder memasok daya listrik ke beban. Karena itu, transformator dapat digunakan secara terbalik dengan supply yang terhubung ke gulungan sekunder asalkan tegangan dan peringkat arus diamati.

Kita dapat mewakili transformator dalam bentuk diagram blok sebagai berikut:

Representasi Dasar dari Transformator (trafo)

Representasi dasar dari transformator

Rasio gulungan primer dan sekunder transformator terhadap satu sama lain menghasilkan transformator tegangan step-up atau transformator tegangan step-down dengan rasio antara jumlah putaran primer dengan jumlah putaran sekunder yang disebut "rasio putaran" atau "rasio transformator".

Jika rasio ini kurang dari satu, n<1 maka NS lebih besar dari NP dan transformator digolongkan sebagai transformator step-up. Jika rasio ini lebih besar dari satu, n> 1, yaitu NP lebih besar dari NS, transformator digolongkan sebagai transformator step-down. Perhatikan bahwa transformator step-down fasa tunggal juga dapat digunakan sebagai transformator step-up hanya dengan membalikkan koneksinya dan menjadikan tegangan rendah melilitkan primernya, dan sebaliknya selama transformator dioperasikan dalam peringkat desain VA aslinya.

Jika rasio gulungan sama dengan satu, n = 1 maka primer dan sekunder memiliki jumlah gulungan yang sama, oleh karena itu tegangan dan arus sama untuk kedua gulungan.

Jenis transformator ini digolongkan sebagai transformator isolasi karena gulungan primer dan sekunder transformator memiliki jumlah volt yang sama per putaran. Efisiensi transformator adalah rasio daya yang diberikannya terhadap beban terhadap daya yang diserapnya dari supply. Dalam transformator yang ideal tidak ada kerugian sehingga tidak ada kehilangan daya maka PIN = POUT.

Next Post Previous Post