Transformer: Teori dan Prinsip Kerja8 min read

Transformer merupakan salah satu teknologi terpenting pada lewat abad ke-19 sehingga awal abad ke-20. Teknologi ini telah digunakan secara meluas seiring dengan perkembangan sektor industri pembuatan pada waktu itu. Pengenalan teknologi ini telah memacu kepada implementasi keelektrikan ke dalam industri pembuatan. Hal ini kerana, peranan transformer pada ketika itu dilihat penting bagi pengagihan tenaga elektrik. Transformer mempunyai kemampuan untuk menghantar tenaga elektrik ke kawasan yang jauh dengan efisien. Misalnya, ia mampu mengagihkan tenaga elektrik bagi kegunaan di rumah, pejabat dan lain-lain lokasi yang berada jauh dari stesen janakuasa elektrik. Oleh itu, inovasi teknologi ini banyak menyumbang kepada perkembangan sistem kuasa elektrik lantas membolehkan integrasi keelektrikan pada semua jenis industri dan juga pembangunan bandar yang dilihat sebagai penyumbang utama kepada peningkatan ekonomi. Artikel ini akan menerangkan apakah itu transformer, teori dan prinsip kerjanya.

Apakah itu Transformer?

Transformer merupakan satu alat yang digunakan untuk memindahkan tenaga elektrik arus ulang-alik dari satu litar ke litar yang lain, sama ada menaikkan (injak naik) atau menurunkan (injak turun) sesuatu voltan.

Secara am, rekaannya tidak begitu kompleks seperti yang kita fikirkan dimana reka bentuknya dibina secara statik atau pegun. Oleh kerana transformer dibina secara statik atau pegun, ia membolehkan transformer berfungsi tanpa memerlukan komponen mekanikal seperti kebanyakan alatan. Sebagaimana yang kita ketahui, transformer mampu menaikan atau menurunkan voltan menggunakan transformer injak naik dan injak turun lantas membolehkan tenaga kuasa elektrik lebih mudah di akses apabila diperlukan. 

Tujuan pengunaan transformer di dalam aspek bekalan kuasa adalah untuk memastikan kuasa elektrik yang dihantar dari stesen janakuasa ke sesuatu kawasan mencukupi. Antara fenomena yang sering berlaku semasa penghantaran tenaga elektrik dalam jarak yang jauh adalah kehilangan kuasa elektrik yang besar dalam bentuk P=I²R. Oleh itu, stesen janakuasa akan membekalkan voltan yang cukup tinggi semasa penghantaran melalui transformer injak naik. Antara sebab utama voltan digubah kepada nilai voltan yang lebih tinggi melalui transformer injak naik adalah untuk memastikan arus yang mengalir di dalam kabel tidak terlalu tinggi, berdasarkan P=VI, dimana dengan kuasa yang sama, voltan dan arus mempunyai perhubungan yang berkadaran sonsang.

Justeru itu, kehilangan kuasa P=I²R dapat dikurangkan di sepanjang jaringan grid yang menggunakan kabel sebagai medium perantaraan. Seterusnya, kuasa elektrik arus ulang alik yang dinaikkan menggunakan transformer injak naik boleh diturunkan semula menggunakan transformer injak turun ke tahap yang lebih selamat bagi kegunaan barangan elektrik sama ada di tempat kerja atau di rumah.

Bagaimana Transformer berfungsi?

Transformer menggunakan aplikasi hukum induksi Faraday (Faraday’s Law) dengan mengabungkan dua litar elektrik arus ulang alik (AC). Dimana diantara kedua litar ini wujudnya satu litar magnetik yang dihasilkan oleh transformer itu sendiri. Asas prinsip kerja transformer ini dikenali sebagai induksi elektromagnetik di dalam bentuk aruhan saling (Mutual Induction).

Teori Transformer

Untuk memahami lebih mendalam tentang prinsip kerja transformer, kita perlu memahami teori disebalik operasi transformer. Jika anda bekalkan arus ulang-alik (AC) pada satu lilitan gelung, apa yang anda akan dapati adalah akan terhasilnya fluks magnet di sekeliling lilitan gelung disebabkan arus ulang alik yang berubah arah. Jika anda mengambil satu lagi lilitan gelung dan meletakkannya berhampiran dengan lilitan gelung pertama, anda akan dapati lilitan gelung kedua akan menghasilkan fluks magnet dan fluks magnet ini akan terus menerus berubah dari segi amplitud dan arah (polariti) bergantung kepada perubahan fluks pada lilitan gelung yang pertama. Apabila lilitan gelung kedua itu adalah litar yang sempurna, induksi daya elektromagnet akan terhasil menurut hukum elektromagnetik Faraday.

Menurut prinsip aruhan silang, arus ulang alik yang menghubungkan dua lilitan gelung primer dan sekunder secara magnetik akan menghasilkan Emf (E₁) di lilitan gelung primer dan Emf (E₂) di lilitan gelung sekunder. Emf (E₁) dikenali senagai Emf primer dan Emf (E₂) dikenali sebagai Emf sekunder. Melalui hubungan ini, kita boleh dapatkan persamaan:

E_1= -N_1\frac{d φ_m}{dt}

E_2= -N_2\frac{d φ_m}{dt}

Maka,

\frac{E_2}{E_1}= \frac{N_2}{N_1}

Dari persamaan ini, kita boleh lihat magnitud Emf primer dan Emf sekunder bergantung kepada bilangan lilitan gelung primer dan sekunder. Contohnya, jika N₂ > N₁, maka E₂ > E₁, ini merujuk kepada transformer injak naik dan jika N₂ < N₁, maka E₂ < E₁, ini merujuk kepada transformer injak turun.

Jenis-Jenis Transformer

Transformer Injak Naik

Dengan menggunakan transformer injak naik, voltan sekunder dapat ditingkatkan kepada nilai voltan yang lebih tinggi melalui voltan primer yang rendah. Hal ini kerana, lilitan gelung primer mempunyai lilitan yang sedikit jika dibandingkan dengan lilitan gelung sekunder yang lebih banyak. Jika dilihat pada nisbah lilitan gelung primer ke sekunder, ianya akan melebihi nilai satu. Transformer ini banyak digunakan bagi meningkatkan voltan semasa transmisi dari stesen penjana ke kawasan dimana pengagihan tenaga dapat dilakukan menggunakan transformer injak turun.

Transformer Injak Turun

Penggunaan transformer injak turun membolehkan voltan sekunder direndahkan melalui voltan primer yang tinggi. Hal ini disebabkan, lilitan gelung primer mempunyai lilitan gelung yang lebih banyak berbanding lilitan gelung sekunder. Nisbah lilitan gelung primer ke sekunder yang nilainya kurang dari satu akan menghasilkan voltan sekunder yang lebih rendah. Secara amnya, transformer ini digunakan untuk mengagihkan voltan kepada kawasan-kawasan perindustrian atau perumahan yang hanya memerlukan voltan yang lebih rendah untuk beroperasi.

Bahagian Transformer

Teras

Teras pada transformer merupakan bahagian yang menyokong lilitan gelung. Ianya diperbuat daripada besi lembut (Soft iron) yang digunakan untuk mengurangkan kehilangan Arus Pusar (Eddy current loss) dan kehilangan Histerisis (Hysteresis loss) serta memudahkan aliran fluks magnetik di dalam teras. Diameter transformer adalah berkadar terus kepada kehilangan kuprum (Copper loss) dan berkadar songsang terhadap kehilangan besi (Iron loss).

Lilitan

Lilitan ini terdiri daripada lilitan kuprum yang digunakan untuk membentuk satu lilitan gelung yang sempurna. Input-output voltan transformer digunakan untuk mengenal pasti bahagian lilitan gelung primer atau lilitan gelung sekunder.

Bahan Penebat

Kertas dan kadbod merupakan bahan penebat utama yang selalu digunakan untuk mengasingkan lilitan primer dan lilitan sekunder juga dari besi lembut transformer. Bahan ini bertanggungjawab untuk memastikan transformer beroperasi dengan baik. Secara amnya, daya tahan dan keseimbangan sesebuah transformer amat bergantung kepada penggunaan bahan penebat pada lilitan transformer.

Penukar Tap (Tap Changer)

Apabila wujudnya variasi voltan di dalam transformer penukar tap akan digunakan . Penukar tap terdiri daripada dua jenis iaitu; penukar tap litar hidup (On-Load tap changer/OLTC)dan penukar tap litar mati (Off-Circuit tap changer/OCTC). Bagi penukar tap litar hidup, ianya boleh digunakan semasa transformer masih lagi beroperasi. Manakala penukar tap litar mati, transformer perlu diasingkan dari litar utama supaya bekalan kuasa dapat diputuskan lantas penukaran tap ini dapat dilakukan. Kebiasaanya penukaran tap ini menggunakan anjakan +-2.5%. Dimana julat penukaran tap adalah +-5%. Selain itu, kos di pasaran bagi penukar tap litar hidup adalah lebih tinggi berbanding penukar tap litar mati. Oleh itu, penukar tap litar mati lebih banyak digunakan di kebanyakan projek disebabkan kosnya yang lebih murah.

Medium Penyejukan

Medium penyejukan adalah elemen paling penting untuk menghentikan transformer dari pemanasan lampau dan menjadi penyebab kepada bahaya letupan dan api. Pemanasan transformer merupakan perkara yang tidak dapat dielakkan semasa operasi dan ianya perlu diatasi kerana kenaikan suhu akan mengakibatkan kerosakan pada transformer itu sendiri.
Transformer jenis kering (Dry type transformer) menggunakan udara sebagai medium penyejukan manakala transformer berisi minyak (Oil-filled transformer) menggunakan minyak sebagai medium penyejukan. Untuk kebanyakan aplikasi, transformer berisi minyak tidak disarankan bagi kegunaan di kawasan awam kerana potensi untuk mengakibatkan bahaya letupan api adalah tinggi. Oleh itu penggunaan transformer jenis kering adalah pilihan yang lebih selamat.

Nisbah Lilitan Transformer

\frac{N_p}{N_s}= \frac{V_p}{V_s}= n = Nisbah\:Lilitan

Andaian: Terpakai pada transformer yang ideal dan sudut fasanya adalah Φ_P ≡ Φ_S

Asas Kiraan Transformer – #1

Satu transformer mempunyai 1500 pusingan lilitan gelung pada gegelung primer dan 500 pusingan lilitan gelung pada gegelung sekunder. Apakah nisbah lilitan untuk transformer ini?

Nisbah\:Lilitan = \frac{N_p}{N_s}= \frac{\#Lilitan\:Gelung\:Primer}{\#Lilitan\:Gelung\:Sekunder}= \frac{1500}{500}= \frac{3}{1}=3:1

Nisbah 3:1 atau 3/1 bermaksud setiap 3 lilitan gelung primer adalah dinisbahkan kepada 1 lilitan gelung sekunder. Nilai nisbah ini bergerak dari nilai nombor yang besar kepada nilai nombor kecil dari kiri ke kanan, justeru voltan primer di injak turun seperti nisbah di atas.

Asas Kiraan Transformer – #2

Jika 240 V Rms dibekalkan kepada lilitan gelung primer menggunakan transformer diatas, apakah voltan pada lilitan gelung sekunder?

Nisbah\:Lilitan = \frac{3}{1}\: atau\:3:1= \frac{V_p}{V_s}= \frac{\#Lilitan\:Gelung\:Primer}{\#Lilitan\:Gelung\:Sekunder}= \frac{240}{V_s}

Maka, voltan sekunder adalah;

V_s= \frac{V_p}{3}= \frac{240}{3}=80\: voltan

Bacaan Lanjut

https://www.trystar.com/article/main-use-of-transformers-in-power-supply/#