1. PENDAHULUAN
Transformator dan mesin listrik merupakan perangkat listrik yang sangat penting untuk diketahui dalam pemanfaatan energi listrik. Transformator berfungsi sebagai pengubah tegangan listrik, sedangkan mesin listrik adalah pengkonversi energi mekanik ke energi listrik (generator atau alternator) atau sebaliknya dari energi listrik ke energi mekanik (motor listrik). Sehubungan dengan prinsip induksi listrik, pengetahuan akan transformator menjadi penting dalam mempelajari mesin listrik.
2. TRANSFORMATOR
| Transformator umumnya digunakan untuk meningkatkan atau menurunkan tegangan arus bolak balik. Pada prinsipnya transformator bekerja berdasarkan induktansi bersama (mutual inductance). Koil yang merupakan lilitan kawat yang umumnya terdapat pada motor dan transformator merupakan induktor. Transformator memiliki dua lilitan, yakni lilitan primer dan lilitan sekunder. Lilitan primer dihubungkan pada sumber arus sedangkan lilitan sekunder dihubungkan ke beban. Seperti yang telah diketahui bahwa sebuah Induktor akan memiliki reaktan induktif sebesar:
Pada sebuah induktor murni, gaya gerak listrik yang melawan beda potensial yang diterapkan dibangkitkan oleh induksi fluks magnetik, dimana fluks magnetik dibangkitkan oleh perubahan arus (AC). Hubungan antara fluks magnetik dengan tegangan terinduksi adalah
Plot e terhadap waktu adalah sinusoidal, karena e berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik Gaya gerak magnetik (mmf) berbanding lurus dengan fluks magnetik |
|
Jika ada lilitan kedua (sekunder) - sehingga disebut sebagai transformator - dengan jumlah yang sama dan pada inti yang sama, maka lilitan tersebut akan mengalami fluks magnetik yang sama. Dengan demikian, gaya gerak listrik akan timbul pada lilitan sekunder tersebut dengan fase yang sama dengan e.
Jika tidak ada beban yang dipasang, maka tidak ada arus pada lilitan sekunder. Tetapi kalau ada beban (resistansi) dihubungkan pada lilitan sekunder maka arus akan timbul dengan fase yang sama dengan tegangan terinduksi karena reaktannya bukan merupakan induktor tetapi merupakan resistor.
Arus pada lilitan sekunder tidak menghasilkan perubahan fluks magnetik (jika ya akan meningkatkan tegangan), akan tetapi menghasilkan gaya gerak magnetik. Perubahan gaya gerak magnetik tanpa perubahan fluks magnetik hanya dimungkinkan bila gaya gerak magnetik yang dihasilkan adalah sama dan berlawanan fase dari gaya gerak magnetik primer. Ini berarti bahwa arus pada lilitan sekunder terlambat 180o dari arus pada lilitan primer. Gaya gerak magnetik sekunder ini akan menginduksi tegangan yang menghasilkan arus yang berlawanan. Dengan demikian koil primer merupakan beban bagi sumber tegangan AC dan koil sekunder merupakan sumber tegangan bagi resistor.
3. TRANSFORMATOR IDEAL DAN RANGKAIAN EKUIVALEN
Sebuah transformator dikatakan ideal apabila tahanan lilitannya adalah nol, tidak ada kebocoran induksi dan tidak ada kehilangan akibat arus eddy yang menjadi panas. Fluks magnet yang dibangkitkan menginduksi tegangan di kedua lilitan.
| Berdasarkan persamaan (2) besarnya tegangan pada lilitan primer dapat dinyatakan sebagai: Sedangkan pada lilitan sekunder, Harga efektifnya adalah Pada beban nol, tidak ada arus pada lilitan sekunder akan tetapi arus pada lilitan primer tetap ada. Akan tetapi secara keseluruhan daya tidak dikonsumsi pada lilitan primer karena rangkaian seperti pada rangkaian induktor murni dimana daya yang dihasilkan akan dikembalikan lagi (diserap) oleh sumber tegangan. Oleh karena itu pada umumnya transformator dinyatakan dalam VA dan bukan dalam Watt. Pada beban nol (hanya induktor) tidak ada daya yang didisipasi akan tetapi tegangan dan arus tetap ada. Diagram phasor pada transformator tanpa beban dengan menganggap induktor murni maka dapat dilihat pada Gambar Pada kenyataannya inti tidak sempurna yaitu ada kerugian (loss) yang disebabkan oleh eddy current yang direpresentasikan dalam tahanan inti (Rm) dan arus yang melaluinya menjadi if. Medan magnet yang dibangkitkan sebagian akan menginduksi arus yang bersirkulasi pada inti yang disebut sebagai Eddy current. Untuk mengurangi efek arus ini, inti biasanya dikonstruksi menggunakan laminasi, sehingga medan magnet sebagian besar akan menginduksi arus pada rangkaian sekunder. Rangkaian ekuivalen dari transformator sebagai akibat adanya tahanan inti tersebut diluksikan pada Gambar berikut. | 
|
| Transformasi Beban nol
Transformasi dengan beban Rasio lilitan dari transformator dalam hubungannya dengan tegangan dan arus adalah
Sirkuit ekivalen lengkap dari transformator dengan beban dapat dinyatakan pada Gambar sedangkan diagram fasor dari sirkuit ekuivalen tersebut diberikan pada Gambar
| 
|
Impedansi pada transformator
Impedansi pada transformator dapat dihitung menggunakan tegangan dan kuat arus pada lilitan primernya. Dari hubungan rasio tegangan primer dan sekunder maka diperoleh
4. KONSTRUKSI TRANSFORMATOR
| Telah disebutkan sebelumnya bahwa transformator terdiri dari inti dan lilitan (koil) primer dan sekunder. Gambar memperlihatkan bagian dari transformator. Lilitannya terbuat dari kawat tembaga yang dilapisi. Untuk menghindari arus Eddy maka inti dikonstruksi menggunakan laminasi, sehingga medan magnet sebagian besar akan menginduksi arus pada rangkaian sekunder. Bagian dari inti dapat dilihat pada Gambar | 
|
5. ALTERNATOR
| Alternator yang merupakan sebutan generator pada listrik AC adalah alat yang paling sering digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Pada prinsipnya alternator mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerja pada alternator fase tunggal telah dijelaskan pada topik "Prinsip dan Sistem Tenaga Listrik". Alternator tiga fase. Alternator sistem tiga fase memiliki skema sebagai berikut. Tiga pasangan koil dikonstruksi dengan interval sudut sebesar 120o. Asumsikan putaran berlangsung searah jarum jam. Ketika kutub magnet berada satu garis dengan pasangan kutub (misalnya 1a dan 1b) maka terjadi beda potensial maksimum pada pasangan koil tersebut. Saat posisi kutub magnet bergerak menjauh dari pasangan koil tersebut maka beda potensialnya menurun sedangkan beda potensial pada pasangan koil selanjutnya (2a dan 2b) akan meningkat dan mencapai maksimum saat berada pada satu garis. Demikian mekanisme ini berlangsung dan polaritasnya akan berubah ketika kutub magnet mendekati garis pasangan kutub dengan posisi kutub yang berlawanan. Perubahan beda potensial ini terhadap waktu berlangsung seperti pada Gambar . |  |
6. MOTOR LISTRIK
Kebalikan dari alternator, motor listrik mengkonversi energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik memiliki efisiensi konversi yang tinggi dibandingkan motor bakar (internal combustion engine). Motor listrik memiliki banyak keuntungan karena: biaya awal yang rendah, mudah dioperasikan, tidak berisik, tidak ada gas buang, umur pemakaian yang panjang, mudah dikendalikan, tidak memakan tempat.
Ada berbagai jenis motor AC ditinjau dari mekanisme pembangkitannya. Secara umum dapat dibedakan menjadi motor serempak dan motor tak serempak (induksi).
Motor serempak
Pada prinsipnya motor serempak dan alternator adalah sama. Sehingga motor sinkron dapat berfungsi sebagai alternator. Komponen utama dari motor serempak adalah rotor dan stator. Stator dialiri oleh arus listrik sedangkan rotor berupa magnet permanen atau magnet yang dibangkitkan oleh arus DC. Ketika stator dialiri arus AC maka terjadi medan magnet pada koil stator. Karena polaritas AC berubah-ubah sesuai dengan frekwensinya maka kutub magnet dari koil pun berubah sehingga timbul medan magnet yang berputar. Karena medan magnet berputar maka rotor pun akan berputar sesuai dengan kecepatan putaran medan magnet. Oleh karena itu motor ini disebut sebagai motor serempak.
| Gambar berikut merupakan tahapan dari putaran motor satu fase tanpa beban.
Ketika beban dipasangkan ke rotor maka timbul kesenjangan pada rotor. Jika sudut kesenjangan melebihi 90o maka motor akan kehilangan torque dan sinkronisasi. |  |
Kecepatan putar dari motor akan berbanding lurus dengan frekwensi. Jika frekwensi yang digunakan adalah 60 Hz maka motor dengan dua kutub akan berputar sebanyak 60 x 60 = 3600 rpm.
Pengurangan putaran dapat dibuat dengan menggunakan jumlah kutub yang lebih banyak. Motor dengan 12 kutub dapat dilihat pada Gambar berikut. Dengan lilitan yang ditata sedemikian rupa membuat kutub-kutub yang dihasilkan berselang seling antara utara dan selatan. Dengan demikian kutub-kutub ini terdiri dari 6 pasang kutub U-S. Dengan jumlah 6 pasang kutub maka kecepatan putar dari motor akan menjadi 3600/6 rpm = 600 rpm.
Jenis rotor pada motor serempak dapat berupa:
a magnet yang diinduksi oleh arus DC. Pada rotor ini digunakan brush untuk menghubungkan dengan sumber DC.
b magnet permanen. Jenis rotor ini tidak perlu sumber DC, karena rotor sudah berupa magnet.
Motor serempak bukan merupakan motor yang self starting, tetapi kecepatan putar rotornya harus dibawa dulu sampai pada kecepatan sinkron terlebih dahulu.
Motor serempak 3 fase
| Gambar berikut adalah motor serempak 3 fase dengan 4 kutub. Dapat dilihat karena masing-masing gelombang sinus pada kawat tumpang tindih maka medan magnet berputar yang dihasilkan tidak dalam langkah tetapi perputarannya lebih halus. Oleh karena itu motor 3 fase memiliki kelebihan dalam efisiensi.
|  |
Motor induksi
Berbeda dengan motor serempak, rotor pada motor induksi merupakan konduktor yang dililit oleh kumparan yang merupakan rangkaian tertutup. Magnet pada rotor diinduksi oleh stator, sehingga memiliki prinsip kerja yang hampir sama dengan transformator. Ketika stator dialiri listrik maka timbul medan magnet berputar dengan kecepatan:
N dalam putaran per detik.
p jumlah pasangan kutub
Karena medan magnet berputar ini memotong konduktor (terjadi perubahan medan magnet pada konduktor) sehingga akan timbul tegangan induksi pada kumparan. Karena rangkaian kumparan tersebut tertutup maka timbul arus listrik pada konduktor. Adanya arus listrik pada medan magnet ini akan menimbulkan gaya Lorentz yang mengakibatkan perputaran rotor.
Slip. Tegangan terinduksi dapat dibangkitkan ketika terjadinya perbedaan kecepatan antara kecepatan medan berputar stator dan kecepatan rotor. Apabila kecepatan medan magnet berputar (kecepatan sinkron) ini sama dengan kecepatan rotor, maka medan magnet tidak memotong konduktor rotor sehingga tidak ada arus listrik yang terinduksi dan konsekwensinya torque menjadi nol. Oleh karena itu slip harus ada pada motor induksi.
Rotor motor induksi secara umum dapat dibedakan menjadi dua, yakni:
-
Rotor sangkar. Rotor jenis ini menggunakan bar (batangan) sebagai konduktor. Saat terinduksi, arus akan mengalir melalui bar dan menyebabkan sangkar menjadi elektromagnet.
-
Rotor lilitan. Pada rotor ini konduktornya berupa lilitan. Pada lilitan ini, dihubungkan melalui brush dengan tahanan rotor eksternal yang dapat diatur besarnya. Dengan demikian kecepatan putaran rotor dapat diatur.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar