Konstruksi Transformator dan Prinsip Kerja Transformator (trafo)

admin 06/06/2022 elektronika, Pendidikan 19 Views

Konstruksi Transformator dan Prinsip Kerja Transformator – Konstruksi transformator dua-gulungan sederhana terdiri dari setiap gulungan yang dililitkan pada tungkai atau inti besi lunak terpisah yang menyediakan rangkaian magnetis yang diperlukan. Rangkaian magnetis ini, lebih dikenal sebagai “inti transformator” dirancang untuk menyediakan jalur bagi medan magnet untuk mengalir, yang diperlukan untuk induksi tegangan antara dua gulungan.

Namun, konstruksi transformator jenis ini di mana kedua gulungan dililitkan pada tungkai yang terpisah tidak sangat efisien karena gulungan primer dan sekunder terpisah satu sama lain. Ini menghasilkan kopling magnetis rendah antara dua gulungan serta jumlah besar kebocoran fluks magnetis dari transformator itu sendiri. Tetapi selain konstruksi bentuk “O” ini, ada berbagai jenis “konstruksi transformator” dan desain yang tersedia yang digunakan untuk mengatasi ketidakefisienan ini menghasilkan transformator yang lebih kecil dan lebih kompak.

Efisiensi konstruksi transformator sederhana dapat ditingkatkan dengan membawa dua gulungan dalam kontak dekat satu sama lain sehingga meningkatkan kopling magnetis. Menambah dan memusatkan rangkaian magnetis di sekitar kumparan dapat meningkatkan kopling magnetis antara dua gulungan, tetapi juga memiliki efek meningkatkan kehilangan magnetis inti transformator.

Baca juga : Cara Kerja Transformator – Jenis, Persamaan & Fungsinya

Selain memberikan jalur reluktansi rendah untuk medan magnet, inti dirancang untuk mencegah sirkulasi arus listrik di dalam inti besi itu sendiri. Arus yang bersirkulasi, yang disebut “arus eddy”, menyebabkan panas dan hilangnya energi dalam inti sehingga mengurangi efisiensi transformator.

Kerugian ini terutama disebabkan oleh tegangan yang diinduksi dalam rangkaian besi, yang secara konstan mengalami pengaturan medan magnet bolak-balik oleh tegangan supply sinusoidal eksternal. Salah satu cara untuk mengurangi kehilangan daya yang tidak diinginkan ini adalah dengan membangun inti transformator dari laminasi baja tipis.

Dalam semua jenis konstruksi transformator, inti besi pusat dibangun dari bahan yang sangat permeabel yang terbuat dari laminasi baja silikon tipis. Laminasi tipis ini dirakit bersama untuk memberikan jalur magnetis yang diperlukan dengan kerugian magnetis minimum. Resistivitas lembaran baja itu sendiri tinggi, sehingga mengurangi kerugian arus eddy dengan membuat laminasi menjadi sangat tipis.

Laminasi transformator baja ini memiliki ketebalan bervariasi mulai dari 0.25 mm hingga 0.5 mm dan karena baja adalah konduktor, laminasi dan semua kancing, paku keling atau baut yang diinsulasi secara elektrik satu sama lain dengan lapisan yang sangat tipis dari pernis isolasi atau dengan penggunaan lapisan oksida di permukaan.

Konstruksi Inti Transformator

Secara umum, nama yang terkait dengan konstruksi transformator tergantung pada bagaimana gulungan primer dan sekunder dililit di sekitar inti baja berlapis pusat. Dua desain konstruksi transformator yang paling umum dan dasar adalah Transformator Inti-Tertutup dan Transformator Inti-Shell.

Pada transformator tipe “inti tertutup” (bentuk inti), gulungan primer dan sekunder wound di luar dan mengelilingi cincin inti. Dalam transformator “inti-shell” (bentuk shell), gulungan primer dan sekunder melewati bagian dalam rangkaian magnetis baja (inti) yang membentuk selubung di sekeliling gulungan seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Baca juga : Perbedaan Trafo Step Up dan Step Down

Rangkaian Konstruksi Inti Transformator

Dalam kedua jenis desain inti transformator, fluks magnetis yang menghubungkan gulungan primer dan sekunder seluruhnya bergerak di dalam inti tanpa kehilangan fluks magnetis di udara. Dalam konstruksi transformator tipe inti, setengah dari setiap gulungan dililitkan di sekitar setiap kaki (atau anggota tubuh) dari rangkaian magnetis transformator seperti yang ditunjukkan di atas.

Gulungan tidak diatur dengan gulungan primer pada satu kaki dan kaki sekunder pada yang lain, melainkan setengah gulungan primer dan setengah gulungan sekunder ditempatkan satu di atas yang lainnya secara konsentris pada setiap kaki untuk meningkatkan kopling magnetis yang memungkinkan hampir semua dari garis-garis gaya magnet melewati gulungan primer dan sekunder pada saat yang sama. Namun, dengan konstruksi transformator jenis ini, sebagian kecil dari garis gaya magnet mengalir di luar inti, dan ini disebut “kebocoran fluks”.

Inti transformator tipe shell mengatasi fluks bocor ini karena gulungan primer dan sekunder dililit pada kaki tengah atau tungkai yang sama yang memiliki dua kali luas penampang dua tungkai luar. Keuntungan di sini adalah bahwa fluks magnet memiliki dua jalur magnet tertutup untuk mengalir di sekitar eksternal ke kumparan di kedua sisi kiri dan kanan sebelum kembali kembali ke kumparan pusat.

Ini berarti bahwa fluks magnet yang beredar di sekitar tungkai luar dari jenis konstruksi transformator ini sama dengan Φ/2. Karena fluks magnet memiliki jalur tertutup di sekitar kumparan, ini memiliki keuntungan untuk mengurangi kehilangan inti dan meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.

Laminasi Transformator

Tetapi Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana gulungan primer dan sekunder dililit di sekitar inti besi atau baja laminasi ini untuk jenis konstruksi transformator ini. Kumparan pertama-tama dibuat pada bekas yang memiliki penampang tipe silindris, persegi panjang atau oval yang sesuai dengan konstruksi inti yang dilaminasi.

Baik dalam konstruksi transformator tipe shell maupun inti, untuk memasang gulungan coil, laminasi individual dicap atau dilubangi dari lembaran baja yang lebih besar dan dibentuk menjadi potongan-potongan baja tipis yang menyerupai huruf “E”, “L”, “U” dan “I” seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Baca juga : Teori Dasar Transformator (trafo)

Jenis Inti Transformator

Stamping laminasi ini ketika dihubungkan bersama membentuk bentuk inti yang dibutuhkan. Misalnya, dua “E” stamping ditambah dua “I” stamping untuk memberikan inti E-I membentuk satu elemen dari inti transformator tipe shell standar. Laminasi individual ini disatukan rapat selama konstruksi transformator untuk mengurangi keengganan celah udara pada sambungan yang menghasilkan kerapatan fluks magnetis yang sangat jenuh.

Laminasi inti transformator biasanya ditumpuk satu sama lain untuk menghasilkan sambungan yang tumpang tindih dengan lebih banyak pasangan laminasi yang ditambahkan untuk membuat ketebalan inti yang benar. Penumpukan alternatif dari laminasi ini juga memberi transformator keuntungan dari kebocoran fluks yang berkurang dan kehilangan zat besi. Konstruksi inti transformator laminasi E-I sebagian besar digunakan dalam transformator isolasi, transformator step-up dan transformator step-down serta transformator otomatis.

Susunan Gulungan Transformator

Gulungan transformator membentuk bagian penting lain dari konstruksi transformator, karena mereka adalah konduktor pembawa arus utama yang melilit bagian inti yang dilaminasi. Dalam satu-fasa dua gulungan transformator, dua gulungan akan muncul seperti yang ditunjukkan. Yang terhubung ke sumber tegangan dan menciptakan fluks magnet yang disebut gulungan primer, dan gulungan kedua disebut sekunder di mana tegangan diinduksi sebagai hasil dari Induksi Timbal-balik.

Jika tegangan output sekunder kurang dari tegangan input primer transformator dikenal sebagai “Transformator Step-down”. Jika tegangan output sekunder lebih besar maka tegangan input primer disebut “Transformator Step-up”.

Jenis kawat yang digunakan sebagai konduktor pembawa arus utama dalam gulungan transformator adalah tembaga atau aluminium. Sementara kawat aluminium lebih ringan dan umumnya lebih murah daripada kawat tembaga, area penampang yang lebih besar dari konduktor harus digunakan untuk membawa jumlah arus yang sama seperti dengan tembaga sehingga digunakan terutama dalam aplikasi transformator daya yang lebih besar.

Tenaga kVA kecil dan transformator tegangan yang digunakan dalam rangkaian listrik dan elektronik bertegangan rendah cenderung menggunakan konduktor tembaga karena ini memiliki kekuatan mekanik yang lebih tinggi dan ukuran konduktor yang lebih kecil daripada jenis aluminium yang setara. Kelemahannya adalah ketika lengkap dengan intinya, Transformator ini jauh lebih berat.

Gulungan dan kumparan transformator dapat diklasifikasikan secara luas menjadi kumparan konsentris dan kumparan terjepit. Dalam konstruksi transformator tipe inti, gulungan biasanya disusun secara konsentris di sekitar ekstremitas inti seperti yang ditunjukkan di atas dengan gulungan primer tegangan tinggi yang dililit pada gulungan sekunder tegangan rendah.

Gulungan terjepit (sanwidched) atau pancake terdiri dari wound konduktor rata dalam bentuk spiral dan dinamakan demikian karena susunan konduktor menjadi cakram. Cakram alternatif dibuat untuk spiral dari luar menuju pusat dalam pengaturan yang saling terkait dengan gulungan individu ditumpuk bersama-sama dan dipisahkan oleh bahan isolasi seperti kertas lembaran plastik. Gulungan sandwich dan gulungan lebih sering terjadi pada konstruksi inti tipe shell.

Baca juga : Pengertian Transformator Beserta Fungsi dan Jenis Transformator

Gulungan Helical juga dikenal sebagai gulungan ulir adalah pengaturan kumparan silinder yang sangat umum digunakan dalam aplikasi transformator tegangan rendah arus tinggi. Gulungan terdiri dari konduktor besar penampang persegi panjang yang wound di sisinya dengan untaian berinsulasi secara paralel terus menerus sepanjang silinder, dengan spacer yang sesuai dimasukkan di antara putaran atau cakram yang berdekatan untuk meminimalkan arus sirkulasi antara untaian paralel. Coil berkembang ke luar sebagai helix yang menyerupai pembuka botol.

Insulasi yang digunakan untuk mencegah korsleting konduktor dalam transformator biasanya adalah lapisan tipis pernis atau enamel dalam transformator berpendingin udara. Cat pernis atau enamel yang tipis ini dicat pada kawat sebelum dililitkan di sekitar inti.

Dalam daya yang lebih besar dan trafo distribusi konduktor terisolasi satu sama lain menggunakan kertas atau kain yang diimpregnasi oli. Seluruh inti dan gulungan direndam dan disegel dalam tangki pelindung yang mengandung minyak transformator. Oli transformator bertindak sebagai isolator dan juga sebagai pendingin.

Dot Orientasi Transformator

Kita tidak bisa begitu saja mengambil inti laminasi dan membungkus salah satu konfigurasi kumparan di sekitarnya. Kita bisa tetapi kita mungkin menemukan bahwa tegangan dan arus sekunder mungkin di luar fasa dengan tegangan dan arus primer. Kedua gulungan memiliki orientasi yang berbeda satu terhadap yang lainnya. Entah lilitan dapat dililitkan di sekitar inti searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam sehingga untuk melacak orientasi relatifnya, “titik-titik” digunakan untuk mengidentifikasi ujung tertentu dari setiap gulungan.

Metode mengidentifikasi orientasi atau arah gulungan Transformator disebut “konvensi titik”. Kemudian gulungan transformator dibuat/dilukai (wound) sehingga hubungan fasa yang benar ada antara tegangan gulungan dengan polaritas transformator yang didefinisikan sebagai polaritas relatif dari tegangan sekunder sehubungan dengan tegangan primer seperti ditunjukkan di bawah ini.

Konstruksi Transformator menggunakan Dot Orientation

Trafo pertama menunjukkan dua “titik” berdampingan pada dua gulungan. Arus yang meninggalkan titik sekunder adalah “dalam fasa” dengan arus yang memasuki titik sisi primer. Jadi polaritas tegangan pada ujung putus-putus juga dalam fasa sehingga ketika tegangan positif pada ujung putus-putus dari kumparan primer, tegangan melintasi kumparan sekunder juga positif pada ujung putus-putus.

Transformator kedua menunjukkan dua titik pada ujung yang berlawanan dari gulungan yang berarti bahwa gulungan coil primer dan sekunder transformator berada pada arah yang berlawanan. Hasil dari ini adalah bahwa arus yang meninggalkan titik sekunder adalah 180° “out-of-phase” dengan arus yang memasuki titik primer. Jadi polaritas tegangan pada ujung putus-putus juga di luar fasa sehingga ketika tegangan positif pada ujung putus-putus dari kumparan primer, tegangan melintasi kumparan sekunder yang bersesuaian akan negatif.

Kemudian konstruksi transformator dapat sedemikian rupa sehingga tegangan sekunder dapat berupa “dalam-fasa” atau “di luar-fasa” sehubungan dengan tegangan primer. Dalam transformator yang memiliki sejumlah gulungan sekunder yang berbeda, masing-masing diisolasi secara elektrik satu sama lain, penting untuk mengetahui polaritas titik gulungan sekunder sehingga mereka dapat dihubungkan bersama-sama dalam seri-aiding (tegangan sekunder dijumlahkan) atau konfigurasi seri-opposing (tegangan sekunder adalah perbedaan).

Kemampuan untuk menyesuaikan rasio putaran transformator sering diinginkan untuk mengimbangi efek variasi dalam tegangan supply primer, regulasi transformator atau kondisi beban yang berbeda-beda. Kontrol tegangan transformator umumnya dilakukan dengan mengubah rasio putaran dan oleh karena itu rasio tegangannya di mana sebagian gulungan utama pada sisi tegangan tinggi disadap agar memungkinkan penyesuaian yang mudah. Penyadapan lebih disukai pada sisi tegangan tinggi karena volt per putaran lebih rendah daripada sisi sekunder tegangan rendah.

Perubahan Tap (keran) Primer Transformator (trafo)

Dalam contoh sederhana ini, perubahan keran primer dihitung untuk perubahan tegangan supply ± 5%, tetapi nilai apa pun dapat dipilih. Beberapa transformator mungkin memiliki dua atau lebih lilitan primer atau dua atau lebih lilitan sekunder untuk digunakan dalam aplikasi berbeda yang memberikan tegangan berbeda dari satu inti.

Kerugian Inti Transformator (trafo)

Kemampuan besi atau baja untuk membawa fluks magnetis jauh lebih besar daripada di udara, dan kemampuan untuk memungkinkan fluks magnetis ini mengalir disebut Permeabilitas. Kebanyakan inti transformator dibangun dari baja karbon rendah yang dapat memiliki permeabilitas di urutan 1500 dibandingkan dengan hanya 1.0 untuk udara.

Ini berarti bahwa inti berlapis baja dapat membawa fluks magnet 1500 kali lebih baik dari udara. Namun, ketika fluks magnetis mengalir dalam inti baja transformator, dua jenis kerugian terjadi pada baja. Satu disebut “kerugian arus eddy” dan yang lainnya disebut “kerugian histerisis”.

Kerugian Histerisis

Kerugian Histerisis Transformator disebabkan karena gesekan molekul terhadap aliran gaya magnet yang diperlukan untuk menarik magnet, yang secara konstan berubah dalam nilai dan arah pertama dalam satu arah dan kemudian yang lain karena pengaruh sinusoidal tegangan supply.

Gesekan molekuler ini menyebabkan panas untuk dikembangkan yang mewakili hilangnya energi ke transformator. Kehilangan panas berlebih dapat memperpendek umur bahan isolasi yang digunakan dalam pembuatan gulungan dan struktur. Karena itu, pendinginan trafo menjadi penting.

Juga, Transformator dirancang untuk beroperasi pada frekuensi supply tertentu. Menurunkan frekuensi supply akan menghasilkan peningkatan histerisis dan suhu yang lebih tinggi di inti besi. Jadi mengurangi frekuensi supply dari 60 Hertz ke 50 Hertz akan meningkatkan jumlah histerisis yang ada, menurunkan kapasitas VA transformator.

Kerugian Arus Eddy

Kerugian Arus Eddy pada Transformator di sisi lain disebabkan oleh aliran arus sirkulasi yang diinduksi ke dalam baja yang disebabkan oleh aliran fluks magnet di sekitar inti. Arus yang bersirkulasi ini dihasilkan karena pada fluks magnetis inti bekerja seperti satu loop kawat. Karena inti besi adalah konduktor yang baik, arus eddy yang diinduksi oleh inti besi padat akan besar.

Arus Eddy tidak berkontribusi apapun terhadap kegunaan transformator tetapi sebaliknya mereka menentang aliran arus yang diinduksi dengan bertindak seperti gaya negatif yang menghasilkan pemanasan resistif dan kehilangan daya di dalam inti.

Melaminasi Inti Besi Transformator (trafo)

Kerugian arus Eddy dalam inti transformator tidak dapat dihilangkan sepenuhnya, tetapi mereka dapat sangat dikurangi dan dikendalikan dengan mengurangi ketebalan inti baja. Alih-alih memiliki satu inti besi padat besar sebagai bahan inti magnetis transformator atau kumparan, jalur magnetis dibagi menjadi banyak bentuk baja tipis yang disebut “laminasi”.

Laminasi yang digunakan dalam konstruksi transformator adalah strip yang sangat tipis dari logam berinsulasi yang disatukan untuk menghasilkan inti yang padat tetapi dilaminasi seperti yang kita lihat di atas. Laminasi ini diisolasi dari satu sama lain dengan lapisan pernis atau kertas untuk meningkatkan resistivitas inti yang efektif sehingga meningkatkan ketahanan keseluruhan untuk membatasi aliran arus eddy.

Hasil dari semua isolasi ini adalah bahwa kehilangan daya arus eddy yang diinduksi yang tidak diinginkan dalam inti sangat berkurang, dan untuk alasan inilah mengapa rangkaian besi magnet dari setiap transformator dan mesin elektro-magnetis lainnya dilaminasi. Menggunakan laminasi dalam konstruksi transformator mengurangi kerugian arus eddy.

Hilangnya energi, yang muncul sebagai panas karena histerisis dan arus eddy di jalur magnet, dikenal secara umum sebagai “kehilangan inti transformator”. Karena kerugian ini terjadi pada semua bahan magnetis sebagai akibat dari medan magnet bolak-balik. Kehilangan inti transformator selalu ada dalam transformator setiap kali primer diberi energi, bahkan jika tidak ada beban yang terhubung ke gulungan sekunder. Juga histerisis dan kerugian arus eddy ini kadang-kadang disebut sebagai “kehilangan besi transformator”, karena fluks magnet yang menyebabkan kehilangan ini konstan pada semua beban.

Kerugian Tembaga

Tetapi ada juga jenis lain dari kehilangan energi yang terkait dengan Transformator yang disebut “kehilangan tembaga”. Kerugian Tembaga Transformator terutama disebabkan oleh hambatan listrik dari gulungan primer dan sekunder. Kebanyakan kumparan transformator terbuat dari kawat tembaga yang memiliki resistansi dalam ohm, ( Ω ). Resistansi ini menentang arus magnetisasi yang mengalir melaluinya.

Ketika suatu beban dihubungkan ke gulungan sekunder transformator, arus listrik besar mengalir di gulungan primer dan sekunder, energi dan tenaga listrik (atau I2R ) hilang karena panas. Umumnya kerugian tembaga bervariasi dengan arus beban, hampir nol pada tanpa beban, dan maksimum pada beban penuh ketika aliran arus maksimum.

Peringkat transformator VA dapat ditingkatkan dengan desain dan konstruksi transformator yang lebih baik untuk mengurangi kehilangan inti dan tembaga ini. Transformator dengan tegangan tinggi dan peringkat arus membutuhkan konduktor penampang besar untuk membantu meminimalkan kehilangan tembaga mereka. Meningkatkan laju disipasi panas (pendinginan yang lebih baik) oleh kekuatan udara atau minyak, atau dengan memperbaiki isolasi transformator sehingga akan tahan terhadap suhu yang lebih tinggi juga dapat meningkatkan peringkat VA Transformator.

Kemudian kita dapat mendefinisikan transformator ideal sebagai memiliki: