Transformator: prinsip, rugi, polaritas, trafo kendali, dan trafo isolasi

Trafo kendali di panel sebuah pengering laundry terbakar dan diganti teknisi dengan trafo 63 VA dari gudang. Alasannya tampak masuk akal: jumlah daya tahan semua koil kontaktor di panel itu kurang dari 50 VA. Sejak itu, setiap pagi saat ketiga tahap pemanas masuk bersamaan, kontaktor pemanas berdengung keras dan kadang bergetar tanpa menutup penuh. Dua minggu kemudian satu koil hangus. Tegangan jaringan pagi hari memang rendah, tetapi trafo lama berukuran 400 VA bekerja bertahun-tahun tanpa gejala.

Penjelasannya ada pada impedansi dalam trafo dan pada beda daya koil saat menutup dan saat menahan. Bab magnet dan induksi menjelaskan hukum Faraday dan Lenz, induktansi, dan saturasi; di sini hukum itu diterapkan pada dua belitan yang berbagi satu inti. Bab sirkit kendali membahas cara merancang suplai kendali agar gangguan tanah tidak menyalakan koil; di sini trafonya sendiri yang dibahas: cara kerja, rugi, polaritas, dan cara memilih ukurannya. Trafo distribusi PLN dibahas pada bab sistem suplai tegangan rendah, sejauh menyangkut batas pelanggan.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada trafo tegangan rendah 50 Hz di bengkel dan panel mesin: trafo kendali, trafo isolasi, trafo pengaman untuk tegangan ekstra rendah, autotrafo, dan trafo tiga fasa kecil untuk mesin impor. Trafo distribusi hanya disinggung sebagai contoh kelompok vektor, karena PUIL 2020 Bagian 5-521 sampai 5-524 yang mengaturnya tidak ada di salinan korpus. Trafo arus sebagai alat ukur dibahas pada bab tang ampere dan pengukuran daya. Batas tegangan tarik dan lepas koil dirinci pada bab komponen kendali. Uraian di sini menjelaskan prinsip, bukan langkah kerja. Pengukuran pada trafo bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD, yang dibahas pada bab keselamatan alat ukur.

Prinsip: rasio lilitan, tegangan, dan arus

Trafo terdiri atas dua atau lebih belitan pada inti besi berlaminasi. Tegangan bolak-balik pada belitan primer mengalirkan arus kecil yang membangun fluks bolak-balik di inti, dan fluks yang sama melingkupi belitan sekunder sehingga menginduksikan tegangan di sana. Menurut hukum Faraday, tegangan induksi sebanding dengan jumlah lilitan dan laju perubahan fluks. Untuk fluks sinus dengan nilai puncak $\Phi_\text{m}$, nilai efektif tegangan induksinya:

$$E = 4{,}44\, f\, N\, \Phi_\text{m}$$

dengan $E$ dalam volt, $f$ dalam hertz, $N$ jumlah lilitan, dan $\Phi_\text{m}$ dalam weber; 4,44 adalah $2\pi/\sqrt{2}$.

Tegangan jaringan menetapkan fluks. Inti dengan luas bersih 10 cm² dan kerapatan fluks puncak 1,2 T memiliki $\Phi_\text{m} = 1{,}2 \times 10^{-3}$ Wb, sehingga belitan 230 V, 50 Hz memerlukan $230/(4{,}44 \times 50 \times 1{,}2 \times 10^{-3}) = 863{,}4$, dibulatkan 864 lilitan, atau sekitar 0,27 V per lilitan. Trafo 60 Hz yang dipasang pada jaringan 50 Hz bertegangan sama bekerja dengan fluks 1,2 kali rancangannya, mendekati saturasi, dan arus magnetisasinya melonjak.

Pada trafo ideal, tanpa rugi dan tanpa fluks bocor:

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = a, \qquad \frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1} = \frac{1}{a}, \qquad V_1 I_1 = V_2 I_2$$

Trafo mengubah tegangan dan arus, bukan daya. Ratingnya dalam VA karena panas belitan ditentukan arus dan panas inti ditentukan tegangan, bukan faktor daya beban. Trafo nyata menarik arus tanpa beban (arus magnetisasi dan komponen rugi inti) dan memiliki resistansi serta reaktansi bocor, sehingga tegangan sekundernya turun saat dibebani.

Trafo tidak bekerja pada arus searah, tetapi bukan karena arus searah tidak menimbulkan fluks. Fluksnya ada, tetapi konstan, sehingga tidak menginduksikan tegangan di sekunder maupun tegangan lawan di primer, dan arus primer hanya dibatasi resistansi belitan. Belitan 230 V trafo 100 VA dengan resistansi, misalnya, 16 Ω menarik $230/16 = 14{,}4$ A pada 230 V searah, sekitar 33 kali arus pengenalnya (0,43 A), dan terbakar dalam waktu singkat.

Trafo arus memakai prinsip yang sama dengan primer dialiri arus beban; sekundernya dirancang bekerja hampir terhubung singkat melalui alat ukur. Bila sekunder dibuka selama primer mengalirkan arus, seluruh arus primer menjadi arus magnetisasi dan tegangan sekunder naik ke nilai berbahaya. PUIL 2020 Bagian 4-43, Lampiran D.3, menyatakan sirkit ukur dengan trafo arus tidak boleh terbuka karena timbul voltase lebih.

Rugi inti, rugi tembaga, dan efisiensi

Rugi inti $P_\text{Fe}$ terdiri atas rugi histeresis, yaitu energi yang hilang setiap kali magnetisasi inti dibalik, dan rugi arus pusar, yaitu panas dari arus yang diinduksikan di dalam besi inti. Rugi histeresis sebanding dengan frekuensi, sedangkan rugi arus pusar sebanding dengan kuadrat frekuensi, kerapatan fluks, dan tebal pelat, sehingga inti dibuat dari pelat tipis berisolasi. Pada tegangan dan frekuensi tetap, rugi inti praktis konstan dan mengalir selama trafo bertegangan, walaupun tanpa beban. Rugi tembaga $P_\text{Cu}$ adalah rugi $I^2R$ belitan yang sebanding dengan kuadrat arus beban. Dengan fraksi beban $x = S/S_\text{r}$ dan rugi tembaga pengenal $P_\text{Cu,r}$:

$$\eta = \frac{x\,S_\text{r}\cos\varphi}{x\,S_\text{r}\cos\varphi + P_\text{Fe} + x^2 P_\text{Cu,r}}, \qquad x_{\eta\,\text{maks}} = \sqrt{P_\text{Fe}/P_\text{Cu,r}}$$

Efisiensi maksimum terjadi saat rugi tembaga sama dengan rugi inti. Trafo isolasi 1 kVA ilustrasi dengan $P_\text{Fe} = 20$ W dan $P_\text{Cu,r} = 45$ W pada faktor daya 1 berefisiensi 93,9 % pada beban penuh, maksimum 94,3 % pada sekitar 667 VA, dan hanya 83,0 % pada beban 10 %. Bertegangan sepanjang tahun, rugi intinya saja sekitar $20 \times 8\,760/1\,000 = 175$ kWh. Efisiensi trafo tidak bisa disebut dengan satu angka; ia bergantung pada ukuran trafo dan fraksi bebannya.

Uji beban nol (tegangan pengenal, belitan lain terbuka) mengukur hampir seluruhnya rugi inti. Uji hubung singkat (tegangan rendah sampai arus pengenal mengalir di belitan lain yang dihubung singkat) mengukur rugi tembaga, dan tegangannya dalam persen tegangan pengenal adalah impedansi hubung singkat $u_\text{k}$. Lembar praktikum di korpus juga mencatat resistansi isolasi primer-sekunder-inti, pengukuran yang dibahas pada bab uji resistansi isolasi, tetapi keselamatannya hanya pakaian kerja, padahal kedua uji memakai tegangan jaringan dan memerlukan personel kompeten, alat berkategori ukur yang sesuai, dan APD.

Polaritas dan titik penanda

Polaritas menyatakan ujung belitan mana yang pada saat yang sama positif terhadap ujung lainnya; pada diagram ujung itu diberi titik, dan tegangan dari ujung bertitik ke ujung tak bertitik sefase di kedua belitan. Polaritas tidak terlihat dari luar karena bergantung pada arah lilitan dan cara ujung belitan dibawa ke terminal.

Polaritas menentukan hasil penggabungan belitan, seperti diingatkan buku ajar korpus. Dua sekunder 12 V yang diseri dengan polaritas benar memberi 24 V; bila satu terbalik, hasilnya hampir 0 V. Bila diparalel dengan polaritas terbalik, keduanya membentuk hubung singkat yang hanya dibatasi impedansi belitan, dan arus sirkulasinya membakar trafo tanpa beban apa pun.

Rasio dan polaritas diperiksa dengan trafo terlepas dari instalasi. Tegangan AC rendah dari sumber terproteksi diberikan ke belitan tegangan tinggi, sehingga belitan lain bertegangan lebih rendah lagi; belitan tegangan rendah tidak pernah diberi tegangan jaringan, karena trafo akan bekerja sebagai penaik tegangan. Pada uji polaritas cara voltmeter, satu terminal primer dihubungkan ke terminal sekunder di sebelahnya; tegangan antara dua terminal bebas yang lebih kecil dari tegangan uji berarti subtraktif, lebih besar berarti aditif. Trafo kecil sengaja dirancang bertegangan tanpa beban beberapa persen di atas pelat nama supaya tegangan pengenal tercapai pada beban penuh; selisih itu bukan tanda kerusakan.

Trafo tiga fasa dan kelompok vektor

Belitan tiap sisi trafo tiga fasa dihubung bintang (Y, y), segitiga (D, d), atau zig-zag (z). Hubungan bintang-segitiga dari bab sistem tiga fasa berlaku pada tiap sisi, sehingga rasio tegangan saluran sama dengan rasio lilitan hanya bila kedua sisi dihubung sama:

$$U_\text{L2} = \sqrt{3}\;U_\text{L1}\,\frac{N_2}{N_1} \quad \text{(Dy)}, \qquad U_\text{L2} = \frac{1}{\sqrt{3}}\;U_\text{L1}\,\frac{N_2}{N_1} \quad \text{(Yd)}$$

Mesin cuci impor bertegangan tiga fasa 200 V yang disuplai dari 400 V melalui trafo Dy memerlukan tegangan belitan sekunder $200/\sqrt{3} = 115{,}5$ V, jadi rasio lilitan per fasa $400/115{,}5 = 3{,}46$. Buku ajar korpus menulis rasio tegangan hubungan segitiga-bintang sebagai tiga kali rasio lilitan; aturan itu memberi 346 V untuk trafo yang sama.

Hubungan Dy dan Yd juga menggeser fasa sekunder sebesar kelipatan 30°, ditulis sebagai angka jam dalam kode kelompok vektor. Pada Dyn11, huruf besar menandai sisi tegangan tinggi, n netral yang dikeluarkan, dan 11 berarti fasor sisi tegangan rendah pada posisi pukul 11 bila sisi tegangan tinggi pada pukul 12, yaitu mendahului 30°; pada Dyn1 tertinggal 30°. Jadi arah pergeseran tidak ditentukan oleh pasangan huruf saja, dan harus dibaca dari pelat nama. Dua trafo hanya boleh diparalel bila rasio, angka jam, urutan fasa, dan impedansi hubung singkatnya sesuai; beda angka jam menimbulkan beda tegangan antarsekunder sekitar setengah tegangan pengenal ($2\sin 15° \approx 0{,}52$) yang hanya dibatasi jumlah impedansi kedua trafo; untuk dua trafo $u_\text{k}$ 6 % arus sirkulasinya sekitar $0{,}52/0{,}12 \approx 4$ kali arus pengenal, tanpa beban apa pun.

Trafo kendali

PUIL 2020 Bagian 1, 11.3 k), menyatakan PUIL tidak berlaku untuk peralatan listrik pada mesin. Norma perlengkapan listrik mesin adalah IEC 60204-1 (2016 dengan Amendemen 1:2021), sedangkan trafo kendali sebagai produk diuji menurut IEC 61558-2-2:2022 dan bagian umumnya, IEC 61558-1:2017. IEC 61558-2-2 mendefinisikan trafo kendali sebagai trafo untuk menyuplai sirkit kendali, dengan tegangan suplai sampai 1.000 V AC. IEC 60204-1 klausul 9.1.1 mensyaratkan trafo berbelitan terpisah (atau catu daya bertrafo) untuk sirkit kendali AC, kecuali pada mesin dengan satu starter motor dan/atau paling banyak dua gawai kendali, dan klausul 9.1.2 menganjurkan tegangan kendali AC tidak melebihi 230 V pada 50 Hz.

Untuk kendali motor yang menjadi bagian instalasi, PUIL 2020 5100.5.7.7.1 mensyaratkan sirkit kendali ikut terputus dari semua sumber bila sarana pemutus dibuka, dan 5100.5.7.7.2 mensyaratkan trafo kendali yang ditempatkan pada kendali motor dihubungkan ke sisi beban sarana pemutus sirkit kendali. Klausul 2.9.2.1 mensyaratkan proteksi di awal sirkit kendali, dengan beberapa keadaan yang membolehkan proteksi sirkit daya dianggap mencukupi.

Ukuran trafo kendali ditentukan oleh dua angka data koil. VA tahan adalah daya semu koil yang sudah menutup: celah udara kecil, induktansi besar, arus kecil. VA tarik adalah daya semu saat koil baru diberi tegangan dan jangkarnya masih terbuka: celah udara besar membuat induktansi kecil dan arus besar sampai jangkar menutup dalam puluhan milidetik. Satu katalog kontaktor yang dicek editor mencantumkan 27 VA tarik dan 4,2 VA tahan untuk kontaktor 3 kW, serta 77 VA tarik dan 9,8 VA tahan untuk kontaktor 15 kW (koil 230 V 50 Hz, faktor daya tarik sekitar 0,8, faktor daya tahan 0,25). Kertas teknis satu pabrikan menyebut VA tarik beban koil dapat mencapai sepuluh kali rating trafo selama 5–20 ms, dan VA tahan 5–10 kali lebih kecil dari VA tarik. VA tahan menentukan panas trafo; VA tarik hampir tidak memanaskan, tetapi menurunkan tegangan tepat saat koil membutuhkannya.

Susut tegangan trafo didekati dengan komponen resistif dan reaktif impedansi hubung singkat $u_\text{R}$ dan $u_\text{X}$ (per satuan), dalam bentuk yang sama dengan susut tegangan kabel di bab daya AC:

$$\frac{\Delta U}{U} \approx \frac{S}{S_\text{r}}\left(u_\text{R}\cos\varphi + u_\text{X}\sin\varphi\right)$$

Pada trafo kendali kecil $u_\text{R}$ lebih besar dari $u_\text{X}$, dan menurut satu katalog yang dicek editor $u_\text{k}$ sekitar 5–10 % pada ukuran ratusan VA dan dapat melewati 15 % pada ukuran puluhan VA, sehingga beban tarik dua kali rating dapat menurunkan tegangan belasan persen. Kontaktor menurut IEC 60947-4-1 harus menutup dengan baik pada 85–110 % tegangan koil pengenal. Bila tegangan jaringan boleh turun 10 % menurut IEC 60038, susut trafo saat penarikan dibatasi sekitar 5,6 %, karena $0{,}9 \times (1 - 0{,}056) = 0{,}85$. Koil AC yang kurang tegangan tidak menutup penuh; celah udaranya tetap terbuka, arus tarik mengalir terus, dan koil terbakar seperti pada kasus pembuka.

Satu sisi sekunder trafo kendali lazim dihubungkan ke rangkaian ikatan proteksi, dengan kontak kendali di sisi lainnya dan satu ujung setiap koil langsung ke sisi terbumikan. IEC 60204-1 klausul 9.4.3.1 memuat susunan ini sebagai salah satu cara agar gangguan isolasi ke rangka menjadi hubung singkat yang memutus pengaman, bukan jalur yang menjembatani tombol start. Analisis jalur gangguan, sirkit tak dibumikan dengan pemantau isolasi, dan letak pengaman pada tiap konduktor dibahas pada bab sirkit kendali.

Trafo isolasi, trafo pengaman, dan autotrafo

Trafo isolasi (IEC 61558-2-4:2021) memiliki belitan primer dan sekunder yang terpisah secara listrik dengan isolasi teruji, sehingga sekundernya tidak beracuan ke bumi kecuali sengaja dibumikan. PUIL 2020 memakainya dalam tindakan proteksi separasi listrik (413): sirkit terpisah disuplai sumber dengan sekurangnya separasi sederhana, tegangan tidak lebih dari 500 V, bagian aktif tidak dihubungkan ke sirkit lain, bumi, atau konduktor proteksi, dan bagian konduktif terbuka juga tidak ke konduktor proteksi. Menyentuh satu konduktor sekunder praktis tidak mengalirkan arus ke bumi selama sirkitnya kecil dan isolasinya utuh. Gangguan pertama tidak menimbulkan arus, sehingga gangguan kedua pada pemanfaat lain dapat membuat dua rangka berbeda tegangan; karena itu 413.1.2 membatasi tindakan ini pada satu pemanfaat, kecuali syarat Lampiran C dipenuhi.

Separasi juga mengubah kerja proteksi. RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) di hulu trafo tidak melihat gangguan di sekunder, dan RCD di sekunder tidak bekerja pada gangguan pertama karena tidak ada arus ke bumi. PUIL 2020 516.1 juga menyebut trafo berbelitan terpisah sebagai cara membatasi arus konduktor proteksi pada area terbatas.

Trafo pengaman (safety isolating transformer) menurut IEC 61558-2-6:2021 bertegangan keluaran tidak lebih dari 50 V AC atau 120 V DC tanpa riak, dengan rating sampai 10 kVA satu fasa atau 16 kVA tiga fasa. PUIL 2020 414.3.1 menyebutnya sebagai sumber SELV dan PELV; teks PUIL tertulis "IEC 61556-2-6", salah ketik untuk IEC 61558-2-6. SELV dan PELV dibatasi 50 V AC atau 120 V DC (414.1.1), dipisahkan secara proteksi dari sirkit lain termasuk koil dan kontak relai atau kontaktor bertegangan lebih tinggi (414.4.1), dan bagian konduktif terbuka SELV tidak boleh dibumikan (414.4.4), sedangkan PELV boleh. Proteksi dasar diperlukan di atas 25 V AC atau bila peralatan direndam. Pada kondisi kering normal, proteksi dasar biasanya tidak diperlukan untuk SELV sampai 25 V AC dan untuk PELV sampai 25 V AC yang bagiannya dihubungkan ke terminal pembumian utama; dalam keadaan lain batasnya 12 V AC (414.4.5).

Tegangan 24 V dari trafo kendali belum tentu SELV atau PELV. Dalam istilah PUIL 2020 Bagian 4-41 (IEC 60204-1 klausul 6.4 memakai konsep PELV yang sama untuk mesin), bila sumbernya hanya memberi separasi sederhana atau susunannya tidak memenuhi 414, sirkit itu FELV menurut PUIL 2020 411.7: proteksi dasar mengikuti tegangan primer dan bagian konduktif terbuka dihubungkan ke konduktor proteksi sirkit primer; catatan 411.7.1 bahkan memberi contoh trafo, relai, dan kontaktor yang isolasinya tidak cukup. Sebagian trafo kendali diuji menurut 61558-2-2 dan 61558-2-6 sekaligus dan menandainya di pelat nama; tanpa tanda itu, sirkit 24 V diperlakukan sebagai FELV.

Autotrafo memiliki satu belitan bersadapan yang sebagian dipakai bersama oleh primer dan sekunder, sehingga lebih kecil tetapi tanpa separasi. PUIL 2020 411.7.4 menganggap keluaran ototransformator sebagai perluasan sirkit masukan. Autotrafo 230/110 V untuk peralatan impor mengeluarkan 110 V antarterminal, tetapi bila fasa dan netral tertukar pada kotak kontak yang tidak berpolaritas, satu terminal keluaran bertegangan 230 V terhadap bumi dan terminal lainnya 120 V. Bila bagian belitan bersama putus, tegangan masukan penuh muncul di keluaran.

Arus inrush saat energisasi dan pilihan pengaman

Bila trafo disambung dekat titik nol tegangan, fluks pada setengah siklus pertama dapat mendekati dua kali fluks puncak normal ditambah fluks sisa pemutusan sebelumnya. Inti jenuh, induktansi belitan anjlok, dan arus magnetisasi melonjak menjadi arus lonjakan energisasi (inrush). Satu katalog trafo kendali yang dicek editor menyebut arus energisasi sekitar 25 kali arus pengenal selama kira-kira 10 ms. Besarnya bergantung pada saat penyambungan dan fluks sisa.

Pengaman primer harus tahan lonjakan ini tanpa trip, tetapi tetap memproteksi belitan primer dan kabelnya. MCB kurva B yang trip seketika pada 3–5 kali arus pengenalnya mudah trip saat energisasi; katalog yang dicek editor merekomendasikan sekering aM atau MCB kurva D di primer dan sekering gG atau MCB kurva C di sekunder, dengan nilai menurut ukuran trafo. IEC 60204-1 memiliki klausul tersendiri untuk proteksi arus lebih trafo (7.2.7) dan sirkit kendali (7.2.4). PUIL 2000 5.8.1.9 memberi batas 125 % dan 250 % untuk proteksi trafo kering (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan), tetapi ketentuan itu ditulis untuk trafo daya, bukan untuk memilih pengaman trafo kendali.

Pengaman sekunder dipilih dari arah sebaliknya. Impedansi trafo kecil membatasi arus hubung singkat sekunder menjadi $I_\text{k} \approx I_\text{r2}/u_\text{k}$; trafo dengan $u_\text{k} = 6$ % hanya mengalirkan sekitar 17 kali arus pengenalnya. Pengaman sekunder yang terlalu besar tidak trip seketika pada arus sekecil itu dan membiarkan gangguan memanaskan trafo dan kabel, sehingga pengaman sekunder berukuran dekat arus pengenal sekunder dan dicek pada $I_\text{k}$.

Contoh kerja: memilih VA trafo kendali untuk panel dengan enam kontaktor

Data. Panel pengering ilustrasi memiliki enam kontaktor berkoil 230 V 50 Hz: K1 drum maju, K2 drum mundur (saling mengunci dengan K1), K3 kipas, serta K4, K5, K6 untuk tiga tahap pemanas. Pengendali suhu dan lampu indikator menarik 10 VA terus-menerus. Trafo disuplai 400 V antarfasa, sekunder 230 V. Data koil mengikuti orde nilai katalog di atas:

Calon trafo ilustrasi dengan $u_\text{R}$/$u_\text{X}$ dalam persen: 100 VA (8/4), 160 VA (6,5/3,5), 250 VA (5/3), dan 400 VA (3,5/2,5). Nilai $u_\text{k}$ yang dihasilkan, 8,9 / 7,4 / 5,8 / 4,3 %, mendekati nilai satu katalog yang dicek editor untuk 100, 160, dan 250 VA (sekitar 9, 7, dan 6 %); nilai 400 VA adalah perkiraan editor.

Langkah 1: VA tahan terbesar. K1 dan K2 tidak pernah bekerja bersamaan, jadi paling banyak lima kontaktor tertahan: $S_\text{tahan} = 2 \times 4{,}2 + 3 \times 9{,}8 + 10 = 47{,}8$ VA. Dari sisi panas, trafo 63 VA pun cukup; berhenti di langkah ini adalah kesalahan pada kasus pembuka.

Langkah 2: VA tarik terburuk, menurut logika kendali. Beban tarik terburuk adalah koil yang dapat menutup bersamaan ditambah koil lain yang sudah tertahan. Desain A menyalakan tahap pemanas bergiliran dengan tunda waktu; saat terburuk satu kontaktor pemanas menutup ketika K1, K3, dua kontaktor pemanas, dan pengendali tertahan: $S_\text{A} = 77 + 2 \times 4{,}2 + 2 \times 9{,}8 + 10 = 115$ VA. Desain B menyambung ketiga tahap dengan satu kontak termostat: $S_\text{B} = 3 \times 77 + 2 \times 4{,}2 + 10 = 249{,}4$ VA. Logika kendali mengubah kebutuhan trafo lebih dari dua kali lipat. Hitungan ini menganggap logika kendali mencegah pembalikan drum (K2 menarik 27 VA) bersamaan dengan penarikan kontaktor pemanas; bila tidak, desain A menjadi 137,8 VA dan pada 160 VA gagal tipis dengan tegangan koil 84,3 %.

Langkah 3: susut tegangan saat penarikan. Faktor daya tarik diambil 0,8 ($\sin\varphi = 0{,}6$) sesuai katalog. Untuk trafo 160 VA, faktor impedansinya $0{,}065 \times 0{,}8 + 0{,}035 \times 0{,}6 = 0{,}073$:

$$\left.\frac{\Delta U}{U}\right|_\text{A} = \frac{115}{160} \times 0{,}073 = 5{,}3\,\%, \qquad \left.\frac{\Delta U}{U}\right|_\text{B} = \frac{249{,}4}{160} \times 0{,}073 = 11{,}4\,\%$$

Tegangan koil dihitung pada tegangan primer turun 10 %, yaitu $0{,}9 \times (1 - \Delta U/U)$:

Langkah 4: memilih. Tegangan koil harus sekurang-kurangnya 85 %. Desain A cukup dengan 160 VA, dengan margin tipis; desain B memerlukan 400 VA, karena 250 VA hanya memberi 84,8 % pada pagi bertegangan rendah. Panel pada kasus pembuka adalah desain B: trafo 63 VA pengganti jauh dari cukup, sedangkan trafo lama 400 VA memenuhi. Model ini mengabaikan tegangan tanpa beban trafo nyata yang beberapa persen di atas 230 V; data daya tarik sesaat dari pabrikan menggantikan hitungan ini bila tersedia.

Langkah 5: pengaman. Untuk trafo 160 VA desain A, arus pengenal primer $160/400 = 0{,}40$ A, sekunder $160/230 = 0{,}70$ A, dan $u_\text{k} = \sqrt{0{,}065^2 + 0{,}035^2} = 7{,}4$ %. Arus hubung singkat di terminal sekunder sekitar $0{,}70/0{,}074 = 9{,}4$ A; kabel kendali 1 mm² sepanjang 40 m (80 m pergi-pulang, 1,4 Ω pada 20 °C) terhadap impedansi trafo 24,4 Ω menurunkannya menjadi sekitar 9,0 A. Pengaman sekunder 1 A kurva C, yang trip seketika pada 5–10 A, memutus gangguan itu dengan cepat tanpa terganggu arus tarik 0,5 A; MCB 6 A kurva C, yang trip seketika baru pada 30–60 A, tidak pernah trip seketika di sini. Lonjakan energisasi primer dapat mencapai sekitar $25 \times 0{,}40 = 10$ A selama sekitar 10 ms, sehingga pengaman primer dipilih dari jenis yang tahan lonjakan sesuai rekomendasi pabrikan trafo, bukan MCB kurva B terkecil.

Tafsir. Rating trafo kendali ditentukan susut tegangan saat penarikan: VA tahan hanya 48 VA, tetapi trafo yang memadai 160 VA atau 400 VA, bergantung pada urutan kendali. Pada tegangan kendali 24 V, arus tarik desain B menjadi $249{,}4/24 = 10{,}4$ A, sehingga susut di kabel kendali ikut menentukan.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini dan trafo ilustrasi di bagian sebelumnya; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pengukuran pada trafo bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur yang sesuai dan APD.

Contoh 1: trafo 60 Hz pada mesin setrika impor. Trafo kendali sebuah mesin setrika impor di laundry hotel berpelat nama 220 V 60 Hz, dengan inti yang diandaikan dirancang untuk 1,2 T, dan akan disambung ke 230 V 50 Hz (angka latihan). Dari $E = 4{,}44\, f\, N\, \Phi_\text{m}$, fluks sebanding dengan $E/f$:

$$\frac{\Phi'_\text{m}}{\Phi_\text{m}} = \frac{230/50}{220/60} = 1{,}25, \qquad B' = 1{,}25 \times 1{,}2 = 1{,}5\ \text{T}$$

Inti mendekati saturasi, arus magnetisasi melonjak, dan trafo panas tanpa beban. Trafo tidak dipakai kecuali pelat namanya juga menyebut 50 Hz; penggantinya trafo 50 Hz dengan tegangan yang sesuai.

Contoh 2: trafo penurun untuk alat dapur impor 110 V. Dapur hotel memakai alat impor 110 V berdaya masukan 1.100 VA (angka latihan). Dengan trafo ideal:

$$I_2 = \frac{1\,100}{110} = 10\ \text{A}, \qquad I_1 = \frac{1\,100}{230} = 4{,}8\ \text{A}$$

Rating trafo sekurang-kurangnya 1.100 VA. Bila yang tersedia autotrafo, keluaran 110 V adalah perluasan sirkit 230 V (411.7.4), dan pada kotak kontak dengan fasa dan netral tertukar terminalnya bertegangan 230 V dan 120 V terhadap bumi. Untuk alat yang dipegang tangan di dapur basah, jenis trafo dan proteksinya ditentukan perancang dengan memperhitungkan bahwa autotrafo tidak memberi separasi.

Contoh 3: trafo isolasi bengkel yang dibiarkan bertegangan. Trafo isolasi 1 kVA ilustrasi ($P_\text{Fe}$ = 20 W, $P_\text{Cu,r}$ = 45 W) di bengkel hotel bertegangan 24 jam, tetapi dipakai 2 jam sehari pada 500 VA faktor daya 1 (angka latihan). Saat bekerja:

$$\eta = \frac{500}{500 + 20 + 0{,}5^2 \times 45} = 94{,}1\ \%$$

Setahun, energi keluaran 365 kWh, rugi inti 175 kWh, dan rugi tembaga 8,2 kWh, sehingga hanya 66,6 % energi masukan sampai ke beban. Bila primer diputus saat trafo tidak dipakai, rugi inti tinggal 14,6 kWh dan sekitar 161 kWh setahun dihemat.

Contoh 4: arus gangguan di ujung kabel kendali 24 V. Panel pompa hotel memakai trafo kendali 400/24 V 250 VA ilustrasi ($u_\text{R}$ 5 %, $u_\text{X}$ 3 %, $u_\text{k}$ 5,8 %) dan kabel kendali 1 mm² sepanjang 40 m (1,4 Ω pergi-pulang) ke sakelar pelampung.

$$I_\text{k} \approx \frac{I_\text{r2}}{u_\text{k}} = \frac{10{,}4}{0{,}058} \approx 179\ \text{A}$$

Arus itu hanya berlaku di terminal trafo. Impedansi trafo dilihat dari sekunder hanya sekitar 0,13 Ω, sehingga di ujung kabel $I_\text{k} \approx 24/\sqrt{(0{,}115 + 1{,}4)^2 + 0{,}069^2} \approx 15{,}8$ A, sekitar 1,5 kali arus pengenal sekunder. MCB 10 A kurva C, yang dekat arus pengenal sekunder, baru trip seketika pada 50 sampai 100 A, sehingga gangguan di ujung kabel hanya diputus lambat. Pengaman dan kabel diperiksa perancang pada arus ujung terjauh; teknisi tidak memperbesar pengaman.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan, jangan menyentuh terminal, dan jangan mengenergikan ulang bila:

1. Trafo panas tidak wajar, berbau hangus, berubah warna, dengungnya berubah, atau isolasinya meleleh.
2. Kontaktor berdengung, bergetar, atau tidak menutup penuh saat ditarik. Koil sedang menarik arus tarik terus-menerus; mesin dihentikan sampai tegangan kendali saat penarikan dan ukuran trafo diperiksa.
3. Jenis trafo tidak diketahui, atau keluaran trafo penurun tegangan terukur bertegangan tinggi terhadap bumi. Keluarannya diperlakukan sebagai bagian sirkit primer sampai pelat nama dan standar ujinya dipastikan.
4. Sirkit sekunder trafo arus terbuka atau akan dibuka selama primernya mengalirkan arus.
5. Trafo dapat menerima tegangan dari lebih dari satu sisi, misalnya sekunder tersambung ke sumber cadangan. Mengisolasi primer saja tidak membebaskan trafo dari tegangan; PUIL 2000 5.8.1.1.1 mensyaratkan gawai pembebas tegangan di setiap sisi yang dapat bertegangan (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan).
6. Pengaman primer trip berulang saat energisasi. Pengaman tidak diperbesar sebelum data pabrikan dan kemungkinan hubung singkat belitan diperiksa.
7. Dua trafo akan diparalel tanpa kepastian rasio, polaritas, atau kelompok vektor; hubungan bumi sisi sekunder trafo kendali terlepas; atau uji rasio direncanakan dengan memberi tegangan jaringan ke belitan tegangan rendah.

Pemeriksaan trafo bertegangan hanya oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, di bawah prosedur isolasi dan verifikasi pada Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Trafo adaptor mengubah AC menjadi DC melalui lilitannya." Buku ajar korpus menulis demikian. Trafo hanya mengubah besar tegangan AC; penyearahan dilakukan dioda atau penyearah elektronik sesudahnya.

"Rasio tegangan segitiga-bintang tiga kali rasio lilitan." Faktornya $\sqrt{3}$, dan arah pergeseran 30° ditentukan angka jam, bukan pasangan huruf.

"Efisiensi trafo 98 %." Buku ajar yang sama menulis 98 % lalu 94–96 % untuk beban penuh. Efisiensi bergantung pada ukuran dan fraksi beban, dan turun tajam pada beban ringan. Soal latihannya juga menghitung efisiensi sebagai VA sekunder dibagi VA primer, padahal arus primer beban ringan didominasi arus magnetisasi.

"Trafo penurun tegangan (step-down) 220/110 V seaman trafo isolasi." Banyak di antaranya autotrafo tanpa separasi.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya: Bab 1, bab magnet dan induksi, bab arus bolak-balik, bab reaktansi dan impedansi, bab daya AC, dan bab sistem tiga fasa. Bab 52 memakai sirkit kendali tanpa membahas suplainya. Lanjutannya: bab keselamatan alat ukur, bab uji resistansi isolasi, bab komponen kendali untuk batas tarik dan lepas koil, dan bab sirkit kendali untuk pembumian satu sisi dan gangguan tanah.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, satuan, dan asumsi. Angka dalam soal adalah data latihan.

1. Trafo kendali 400/24 V, 250 VA. Hitung arus pengenal primer dan sekunder. Primernya keliru disambung ke 230 V (fasa-netral): berapa tegangan sekunder dan apa akibatnya bagi kontaktor 24 V? Apa yang terjadi bila sebaliknya trafo 230/24 V disambung ke 400 V?
2. Trafo kendali 160 VA ilustrasi memiliki $P_\text{Fe} = 10$ W dan $P_\text{Cu,r} = 14$ W. Panel contoh kerja bertegangan 24 jam dengan beban tahan 47,8 VA yang membawa daya aktif sekitar 19 W. Hitung rugi total, efisiensi, dan energi rugi setahun, lalu jelaskan mengapa efisiensinya rendah.
3. Dua sekunder 12 V diseri untuk memperoleh 24 V, tetapi voltmeter membaca 0,4 V. Apa penyebabnya, bagaimana memperbaikinya, dan apa yang terjadi bila kedua belitan dengan sambungan yang sama itu diparalel?
4. Mesin impor 200 V tiga fasa disuplai dari 400 V melalui trafo Dy dengan rasio lilitan per fasa 400 : 115,5. Tegangan saluran sekundernya: (A) 115,5 V; (B) 200 V; (C) 346 V; (D) 66,7 V. Pilih dan jelaskan mengapa pilihan lain salah.
5. Panel kendali pompa di PHB gedung (instalasi yang tercakup PUIL) memakai trafo 400/24 V yang pelat namanya hanya menyebut IEC 61558-2-2. Satu sisi sekundernya dihubungkan ke konduktor proteksi, dan kabel 24 V berisolasi 50 V berbagi saluran dengan kabel 230 V berisolasi dasar. Seorang teknisi menyebutnya SELV sehingga "aman disentuh". Nilai pernyataan itu dengan PUIL 2020.
6. MCB kurva B 2 A di primer trafo kendali 400/230 V, 250 VA ($u_\text{k}$ 5,8 %) kadang trip saat panel dinyalakan, tetapi tidak pernah saat mesin berjalan. Jelaskan dengan angka, lalu nilai usulan "ganti MCB kurva B 6 A".

Kunci jawaban beralasan

1. $I_1 = 250/400 = 0{,}625$ A dan $I_2 = 250/24 = 10{,}4$ A. Pada 230 V, $V_2 = 24 \times 230/400 = 13{,}8$ V atau 57,5 %, jauh di bawah 85 %, sehingga kontaktor tidak menutup dan yang sudah menutup dapat lepas; trafonya tidak rusak karena fluksnya lebih kecil. Sebaliknya, fluks naik $400/230 = 1{,}74$ kali, inti jenuh, arus magnetisasi melonjak, trafo panas atau pengaman primer trip, dan koil 24 V mendapat sekitar 41,7 V.
2. $x = 47{,}8/160 = 0{,}30$; $P_\text{Cu} = 14 \times 0{,}30^2 = 1{,}25$ W; rugi total 11,25 W; $\eta = 19/(19 + 11{,}25) = 62{,}8$ %; energi rugi $11{,}25 \times 8\,760/1\,000 = 98{,}6$ kWh per tahun. Rugi inti tetap mengalir walaupun beban kecil; trafo kendali dipilih dari syarat susut tegangan, bukan efisiensi.
3. Salah satu belitan terbalik polaritasnya sehingga kedua tegangan saling meniadakan; sisa 0,4 V berasal dari perbedaan kecil antarbelitan. Tukar kedua ujung salah satu belitan, lalu ukur ulang sampai terbaca sekitar 24 V tanpa beban. Bila diparalel dengan sambungan yang sama, terbentuk hubung singkat yang hanya dibatasi impedansi belitan dan arus sirkulasinya membakar trafo.
4. (B). Pada Dy, belitan primer menerima 400 V, tegangan fasa sekunder $400 \times 115{,}5/400 = 115{,}5$ V, dan tegangan saluran sekunder $\sqrt{3} \times 115{,}5 = 200$ V. (A) hanya tegangan fasa. (C) memakai aturan "tiga kali" yang salah. (D) membagi dengan $\sqrt{3}$, seolah hubungannya Yd.
5. Keliru. Sirkit ini tidak mungkin SELV karena bagian aktif SELV harus terinsulasi dari bumi (414.1.1, 414.4.1), sedangkan satu sisinya dibumikan. Sirkit ini juga bukan PELV, walaupun PELV boleh dibumikan (414.4.1): sumbernya hanya trafo kendali, bukan trafo pengaman IEC 61558-2-6 (414.3.1), dan kabel 24 V berisolasi 50 V di samping kabel 230 V tidak memenuhi susunan pemisahan 414.4.2. Sirkit ini FELV menurut 411.7: proteksi dasarnya sesuai tegangan primer (411.7.2) dan bagian konduktif terbukanya dihubungkan ke konduktor proteksi sirkit primer (411.7.3). Untuk panel mesin, IEC 60204-1 klausul 6.4 memakai konsep PELV yang sama.
6. $I_1 = 0{,}625$ A. Lonjakan energisasi sekitar 25 kali memberi sekitar 15,6 A selama kira-kira 10 ms, sedangkan MCB B 2 A dapat trip seketika mulai 6–10 A. Besar lonjakan bergantung pada saat penyambungan, sehingga trip hanya kadang terjadi. MCB B 6 A mungkin berhenti trip, tetapi arus pengenalnya hampir sepuluh kali arus primer trafo, sehingga trafo tidak terproteksi dari beban lebih (trip termal baru di atas sekitar 8,7 A). Hubung singkat sekunder (sekitar $1{,}09/0{,}058 = 18{,}6$ A atau 10,7 A dilihat dari primer, untuk $u_\text{k} = 5{,}8$ %) hanya sekitar 1,8 kali arus pengenalnya, sehingga MCB itu baru trip termal setelah puluhan detik atau lebih. Pengaman primer berarus kecil yang tahan lonjakan, misalnya sekering aM atau MCB kurva D 2 A, tidak trip saat energisasi; pada 10,7 A ia berada di daerah termal sekitar lima kali arus pengenalnya dan memutus dalam hitungan detik. Hubung singkat sekunder tetap diputus seketika oleh pengaman sekunder yang dipilih dekat arus pengenal sekunder.

Referensi