Transformator atau Trafo

Secara definitif, transformator atau transformer atau lebih dikenal dengan trafo atau disingkat XFMR adalah mesin elektrik statis (tidak bergerak) yang mentransfer energi listrik dari satu sisi (disebut sisi primer) ke sisi yang lain (disebut sisi sekunder) dengan frekuensi konstan. Tujuan transfer ini umumnya adalah untuk menaik/turunkan level tegangan dan beberapa tujuan lain tergantung jenisnya. Sisi primer biasanya diberi indeks 1 atau p, dan sisi sekunder diberi indeks 2 atau s. Jadi V1 atau Vp mengindikasikan tegangan primer, dan V2 atau Vs mengindikasikan tegangan sekunder. Secara skematik, trafo digambarkan sebagai berikut:

 

Gambar 1. Diagram Trafo

Trafo bekerja berdasarkan hukum induksi Faraday, yang menggunakan fluksi (flux) bolak-balik sebagi media konversi energi. Prinsipnya, apabila lilitan primer dihubungkan dengan tegangan bolak-balik (atau tegangan yang magnitudonya berubah terhadap waktu), maka akan mengalir arus bolak balik. Arus yang mengalir akan menimbulkan medan magnet. Medan magnet ini akan mengalir melalui inti besi sehingga memotong lilitan sekunder. Pada akhirnya, di lilitan sekunder akan timbul tegangan yang disebut tegangan induksi.

Dalam gambar 1, sisi primer dan sisi sekunder tidaklah terhubung secara elektrik, namun keduanya dihubungkan secara magnetik (melalui fluksi). Dengan demikian, lilitan primer dan sekunder sering disebut dengan kopling magnetik.

Ada beberapa bagian dasar dari trafo, yaitu:
1. Lilitan primer

2. Lilitan sekunder

Keduanya biasanya terbuat dari tembaga, namun untuk ukuran besar, dapat pula terbuat dari aluminium. Bentuknya tidak harus seperti penghantar telanjang, namun dapat pula berupa lembaran (sheet)

3. Inti besi (iron core)

Sesuai namanya, inti besi pastilah terbuat dari besi. Strukturnya dibuat secara berlapis-lapis, bukan pejal. Inti besi berfungsi sebagai jalur fluksi bolak-balik yang nantinya akan menginduksi sisi sekundernya.

Bagian selanjutnya akan membahas beberapa topik tentang trafo dengan sedikit lebih spesifik.

Paiton, 27 Aug 2013. 19:18WIB.

Governor

Governor

Turbine governor atau yang lebih dikenal dengan governor adalah istilah yang umum dipakai dalam dunia electromechanical energy conversion. Istilah ini dipakai dalam Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG), dan lain sebagainya. Definisi yang lazim dari governor adalah suatu peralatan yang berfungsi mengontrol kecepatan (speed) dan daya keluaran (power) berdasarkan karakteristik power-frequency. Untuk memahami istilah ini dengan lebih mendalam, kita harus masuk terlebih dahulu kepada sistem pembangkita tenaga listrik.

Sistem pembangkitan tenaga listrik

Sistem pembangkitan tenaga listrik dapat dibedakan menjadi 2, yaitu:

•  Pembangkit listrik konvensional

Pembangkit listrik tipe ini mengkonversi suatu energi primer menjadi energi listrik, namun melalui perantara energi lain.

Misal: PLTU batubara mengubah energi yang terkandung dalam batubara (energi kimia) menjadi energi listrik melalui perantara thermal (memanaskan air menjadi uap).

Dengan demikian, pembangkit tipe ini biasanya menggunakan turbin-generator-set untuk proses pembangkitan listrik.

•  Pembangkit listrik non-konvensional

Pembangkit tipe ini akan membangkitkan listrik dari energi primer langsung menjadi listrik.

Contoh pembangkit tipe ini adalah sel surya (photovoltaic cell) yang mengubah energi panas matahari langsung menjadi energi listrik (tanpa perantara energi lain).

Untuk memahami istilah governor, maka kita akan fokus ke dalam pembangkit tipe konvensional, yang diagramnya disajikan dalam Gambar 1. Energi listrik yang dibangkitkan oleh generator sinkron (synchronous generator) berasal dari energi yang dihasilkan oleh putaran poros turbin. Energi untuk memutar turbin tersebut berasal dari fluida yang digunakan. Misalkan, PLTU menggunakan fluida uap air, PLTA menggunakan fluida air, dan PLTG menggunakan fluida gas. Untuk mengontrol jumlah energi yang dihasilkan generator, maka jumlah fluida yang memasuki turbin haruslah dikontrol. Banyak sedikitnya fluida yang masuk, tergantung pada bukaan katup (valve), dimana valve ini dikontrol oleh governor.  Untuk menentukan besarnya bukaan valve, maka governor akan mendapat sinyal masukan berupa daya setting (P_reff), daya aktual keluaran generator (P), frekuensi (f), atau putaran turbin (w). Dari sini, pengertian governor akan lebih mudah dipahami. 

Gambar 1. Diagram Sederhana Sistem Pembangkitan

Jenis-jenis governor:

• Isochronous Governor

Isochronous governor dapat diartikan sebagai governor kecepatan tetap. Governor tipe ini akan mengatur bukaan valve agar frekuensi keluaran generator kembali pada nilai awal atau nilai settingnya. Jika terjadi kenaikan beban listrik, maka frekuensi keluaran generator akan turun. Besarnya penurunan ini akan direspon oleh governor dengan cara memerintahkan valve untuk membuka lebih lebar agar jumlah uap yang masuk ke turbin bertambah. Berikut adalah contoh respon dari isochronous governor:

Gambar 2. Respon Isochronous Governor

Governor tipe ini bekerja baik pada:

·         Sistem terisolasi generator tunggal / (islanded/isolated-single generator)

·         Sistem multigenerator dengan 1 generator sebagai pengontrol frekuensi

• Governor dengan karakteristic Speed-droop (Speed-droop characteristic governor)

Isochronous governor tidak dapat digunakan pada sistem interkoneksi karena setiap generator akan berusaha untuk mengontrol frekuensi sistem (fight each other). Maka, governor dengan karakteristik speed-droop harus digunakan.

Jika terjadi kenaikan/penurunan frekuensi pada sistem, maka generator yang memiliki governor tipe Speed-droop akan mengurangi/menambah bukaan valve sesuai dengan daya maksimum generator dan setting governornya. Setting governor untuk keperluan ini disebut dengan speed-droop atau regulation characteristic. Lebih umum lagi, istilah tersebut disebut dengan Droop saja (bukan drop).

Gambar 3. Respon Speed-droop characteristic governor

Paiton, March 25th 2013 18:47

Reff:

1. Power System Dynamic: Stability and Control. Second Edition, 2008. Jan Machowski,Janusz W. Bialek, James R. Bumby.
2. Power System Stability and Control. 1994. Praba Kundur.

Mengapa gelombang AC itu sinus?

Sebetulnya tidak fair kalau saya menggunakan istilah 'gelombang AC' (alternating current), karena yang akan dibicarakan bukan hanya arus (current), tetapi juga tegangan (voltage). Mungkin akan lebih tepat kalau menggunakan istilah 'gelombang bolak-balik'. Namun, istilah 'gelombang AC' dapat mewakili keduanya.

Gelombang AC memiliki banyak macam, berikut adalah beberapa contohnya:

 

Namun, ada pertanyaan yang muncul. Mengapa gelombang AC yang dipakai untuk sistem daya adalah gelombang sinus (sinusoida)? Bahkan, banyak engineer yang bersusah payah membuat filter agar square wave dapat ditransformasikan menjadi gelombang sinus. Mari kita cari tahu.
=====================================================================
Babak I : kebingungan pertama
Dulu, saat kuliah Rangkaian Listrik I, seorang dosen bertanya: Mengapa gelombang AC itu sinus? Apakah harus sinus? Saat itu kami sekelas hanya tersenyum (senyum bagi Engineer mungkin bisa diartikan sebagai 'tidak mengerti'). Kemudian dosen itu menjelaskan, hanya beberapa patah kata. Butuh beberapa lama untuk mengertinya, maklum kita-kita masih newbie di dunia itu.

Kata dosen tersebut, alasan gelombang AC itu sinus dikarenakan kita menggunakan mesin pembangkit listrik (generator) yang berputar dan bentuk mesinnya silindris. Ini bisa dipahami dengan gambar 1, kita menggambarnya saat SMU.

Gambar 1. Pembuatan Gelombang Sinus (Click untuk animasi)

Dengan menggunakan pendekatan gambar di atas, jelas pertanyaan di awal telah terjawab. Namun, saat saya menginjak semester 7, ada kuliah Penggunaan dan Pengendalian Mesin Elektrik. Di situ dikenalkan bahwa mesin listrik itu tidak hanya bergerak memutar (rotasional) seperti motor atau generator pada umumnya. Ada juga mesin listrik yang bergerak translasional, contohnya adalah kereta mengambang Maglev. Pertanyaan di atas kembali muncul, dan jawaban yang dulu saya yakini mulai goyah.

=====================================================================

Babak II : kebingungan kedua
Jika ada bandul seperti gambar 2 digerakkan secara translasional (naik turun), ini juga menimbulkan gelombang sinusoida. Jika bandul itu diganti magnet dan papan gambar sinus adalah lilitan, maka seharusnya akan muncul tegangan sinus juga. Gerakannya tidak rotasional dan mesinnya juga bukan silindris, namun gelombang yang dihasilkan adalah sinusoida. Pemahaman saya semakin lemah.

Gambar 2. Gelombang Sinusoida Gerakan Bandul

====================================================================

Babak III : Mencari solusi

Gelombang sinus seperti gambar-gambar di atas, biasanya disebut gelombang sinusoida. Tidak pernah dikatakan gelombang kosinusoida, karena gelombang kosinus adalah gelombang sinus yang digeser ke arah kiri sejauh 90 derajat seperti gambar 3.

Gambar 3. Gelombang sinus dan kosinus

 Mengapa gelombang daya (tegangan dan arus) adalah sinus? Jawabannya adalah:
1) Gelombang sinus adalah gelombang periodik
Mesin listrik, baik motor atau generator, baik yang gerakanannya rotasional atau bukan rotasional, selalu melakukan gerakan periodik. Dengan demikian sah-sah saja kalau gelombang daya berbentuk sinusoida.
Namun pertanyaan baru muncul, gelombang kotak dan gergaji itu juga periodik, mengapa gelombang daya tidak berbentuk gelombang kotak atau gergaji?
Jawabannya di point no 2.

2) Gelombang sinus adalah gelombang periodik yang paling dasar
Kalau kita belajar matematika teknik, kita akan mendapatkan materi Deret Fourier. Deret ini menyatakan bahwa semua gelombang periodik, dapat direpresentasikan oleh gelombang sinus dan kosinus yang jumlahnya tak terhingga, lihat gambar 4. Dikarenakan gelombang sinus dan kosinus memiliki karakteristik yang sama seperti gambar 3, maka inilah yang menjadi alasan mengapa gelombang daya berbentuk sinus, karena sinus adalah gelombang periodik yang paling dasar.

Gambar 4. Deret Fourier

Referensi:
http://www.rkm.com.au/ANIMATIONS/animation-sine-wave.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/waves/funhar.html
http://openbookproject.net/electricCircuits/AC/AC_1.html
http://openbookproject.net/electricCircuits/AC/AC_1.html
http://id.wikipedia.org/wiki/Gelombang_sinus
http://www.wikimatematica.org/index.php?title=Serie_de_Fourier_generalizada

Paiton, 9 Januari 2013. 19:11.

Definisi Beban Listrik dan Beban Komposit

Terlebih dahulu saya ingin mengucapkan minta maaf kepada teman saya yang pernah tersakiti dengan pertanyaan:
Apa sih beban listrik itu?
Sebetulnya inilah yang menjadi pendorong untuk dituliskannya judul ini.
=====================================================================

Beban listrik dalam bahasa Inggris disebut sebagai Electrical Load, atau dalam teks berbahasa Inggris langsung disebut sebagai Load saja, dengan konteks langsung mengacu pada beban listrik.

Saat ditanyakan apakah yang disebut beban listrik?
Biasanya respon pertama adalah bingung, kita seperti tahu namun tidak dapat diungkapkan secara verbal. Tidak masalah kalau yang bertanya adalah teman sekampus, tapi kalau ditanyakan teman dari prguruan tinggi yang lain, saat test masuk menjadi Asisten Laboratorium, Test Beasiswa, Test Kerja, atau ujian akhir di depan dosen, efeknya akan berbeda.

Ada seorang dosen yang mengatakan beban itu mengacu pada arus. Saya menggunakan jawaban itu di forum formal, namun saya kurang sreg dengan definisi ini. Saya belum mendapat point of view nya. Jadi saya mencoba membuat definisi sendiri. Kalau saya ditanya tentang masalah ini, saya akan menjawab "beban listrik adalah suatu komponen yang membutuhkan energi listrik, tidak bisa menghasilkan". Dengan definisi ini maka beban listrik akan langsung mengacu pada motor, mixer, blender, rice cooker, lampu dan lain-lain. 

Perusahaan tempat saya bekerja menjual listrik ke jaringan 500 kV Jawa-Bali. Saat pertama kali masuk kerja, saya dengar banyak orang mengatakan "beban kita 610 MW". Pertanyaannya adalah "Saat kita memproduksi listrik, kenapa kita mengacu pada beban?". Hal ini mulai menggoyangkan pemahaman saya tentang Beban Listrik.

Tanggal 27 Desember 2012, definisi ini langsung rontok. Baru kali ini ada buku yang menjelaskan dengan gamblang arti Beban Listrik. Ternyata, definisi saya selama ini sangat sempit.

Definisi Beban Listrik. adalah:

1. Suatu peralatan yang terkoneksi dengan sistem daya sehingga mengkonsumsi energi listrik
2. Total daya aktif dan/atau reaktif yang dikonsumsi oleh suatu peralatan yang terkoneksi ke sistem daya
3. Daya keluaran suatu sistem pembangkitan (power plant) 
4. Bagian dari suatu sistem daya yang secara eksplisit tidak direpresentasikan model sistem, namun berlaku sebagai single power-consuming device.

Definisi 1,2, dan 3 sangat mudah dipahami. Namun definisi ke-4, saya merasa bingung. Butuh lebih dari 5 kali untuk memahaminya, semoga teman-teman tidak. Sialnya, definisi tersebut adalah yang sering digunakan dalam studi sistem daya. Bagi yang familiar dengan software ETAP, mungkin akan mudah memahami definisi ke-4. Bagi yang tidak familiar, termasuk saya, mari kita mendalaminya.

Sistem daya listrik terdiri dari sistem pembangkitan (besar), transmisi, sub transmisi dan distribusi. Sistem distribusi adalah sistem yang paling kompleks, karena selain memiliki jumlah node/bus/nodus/titik yang sangat banyak, sistem ini juga terdiri dari banyak komponen (pembangkit kecil, trafo penstabil tegangan, reaktor dan sebagainya). Untuk keperluan analisis, jelas hal ini sangat tidak efektif. Dengan demikian, biasanya sistem distribusi akan disederhanakan sebagai model beban tunggal.

Sistem distribusi yang terdiri dari banyak komponen, hanya dimodelkan oleh beban tunggal. Kalau dipikir, jelas hal ini mustahil. Pembangkit kecil dimodelkan sebagai beban adalah tidak masuk akal. Namun, pemodelan beban tunggal ini memberikan penyederhanaan dalam sistem analisis. Model beban tunggal ini mungkin dapat memberikan penjelasan tentang definisi beban ke-4. 

Analisis sistem daya biasanya hanya mencakup pembangkitan (besar), transmisi, dan sub transmisi dan pemodelan beban tunggal (dari sistem distribusi). Beban tunggal tersebut sering disebut sebagai beban komposit.

Paiton, 2 Jan 2012. 19:35.