Transformer

PENGENALAN Pengubah/Transformer adalah satu alat statik yang boleh memindahkan tenaga elektrik dari satu atau lebih litar kepada satu litar yang lain tanpa bahagian yang bergerak, pada frekuensi yang sama. Ia boleh memindahkan arus dan voltan yang berbeza dari nilai asal seperti menaikkan atau menurunkan nilai voltan. Pengubah hanya boleh beroperasi pada voltan AC sahaja.

Daripada definisi ini, dapatlah diketahui bahawa fungsi utama pengubah ialah untuk menaikkan voltan atau menurunkan voltan elektrik pada frekuensi yang sama ke litar lain.

Penggunaan Pengubah  Pada asasnya pengubah terbahagi kepada 2

kegunaan iaitu: i- Menaikkan nilai voltan (langkah naik-step up) Contoh penggunaan pengubah ini ialah di sistem penghantaran dimana nilai voltan akan dinaikkan sehingga beberapa kilovolt bagi mengatasi susutan kuasa ditalian (P= I²R). Jika voltan dinaikkan bererti arus dikurangkan. Dengan itu susutan kuasa ditalian dapat dikurangkan.

ii- i- Menurunkan nilai voltan (langkah turun-step

down)

Contoh lain yang popular ialah pengubah langkah turun yang biasa digunakan pada alat-alat elektrik/elektronik di rumah kita seperti TV, radio, pengecas, pencukur dsb.

 Kegunaan lain adalah seperti:

- Transformer Pemencil - Sebagai sumber bekalan untuk alat-alat elektronik. - Sebagai pemadan galangan di antara 2 litar yang berlainan. Contoh pengubah audio dalam alat penguat elektronik.

BINAAN ASAS  Pengubah terdiri daripada 3 binaan asas.

i- Teras ii- Belitan (lilitan) iii- Penutup/pembalut

i- Teras - Diperbuat dari lapisan besi berlamina yang diapit bersama. - Terdapat pelbagai jenis teras tetapi umumnya adalah berbentuk tingkap dan kelompang. - Teras juga merupakan faktor penting bagi menguatkan urat daya magnet yang dihasilkan dan ia dibuat berlapis2 agar kehilangan arus pusar dapat dikurangkan di dalam teras tersebut.

TERAS KELOMPANG

ii- Belitan -Terbahagi kepada 2 jenis: a) belitan primer b) belitan sekunder Belitan primer disambungkan ke bekalan masuk dan belitan sekunder di bahagian bekalan keluar. - Dari sini nilai voltan dan arus pengubah itu diambil selepas perubahannya. - dengan menambahkan bilangan belitan sekunder, maka nilai voltan arus yang lebih daripada nilai bekalan dapat diperolehi.

BAHAGIAN-BAHAGIAN UTAMA PENGUBAH  Dua binaan utama yg perlu ada pada setiap

jenis pengubah ialah teras dan dua belitan gegelung.  Teras berfungsi sebagai pelengkap litar magnet bagi kedua-dua litar magnet yg dihasilkan oleh belitan gegelung.  Teras pengubah diperbuat drpd kepingankepingan (berlamina) keluli silikon yg bertebat diantara satu dengan lain.  Ketebalan kepingan ialah diantara 0.01 cm hingga 0.05 cm.

●

Keluli silikon digunakan kerana kehilangan histerisis rendah dan ia juga tahan lasak.

●

Terdapat juga teras yg diperbuat drpd bahan-bahan lain, misalnya besi bagi kegunaan kuasa frekuensi rendah, untuk pengubah audio, untuk pengganding litar frekuensi tinggi dsb nya.

●

Teras dibuat berlapis-lapis bagi mengurangkan kehilangan akibat arus pusar.

●

Belitan gegelung pula berfungsi sebagai pengeluar kearuhan diri dan kearuhan saling.

●

Belitan ini dibelitkan keatas teras belitan sekunder dan disambungkan kebeban; sementara belitan primer disambungkan kebekalan.

●

Terdapat berbagai cara bagaimana belitan ini dilakukan, diantaranya ialah belitan berbentuk selinder, belitan berasingan, belitan sepusat dan belitan berlapis.

●

Belitan-belitan ini akan disesuaikan dengan jenis teras yang digunakan; terdapat 4 bentuk utama teras, iaitu:◘

Bentuk teras tingkap

◘

Bentuk teras kelompang

◘

Bentuk ‘H’

◘

Bentuk teras jenis Berry

●

Bahagian-bahagian lain yg agak penting ialah kontena bagi pemasangan pengubah itu, penyimpan bahan penyejuk, sesendal sebagai penebat untuk mengeluarkan punca-punca belitan pengubah dari tangki kontena dsb nya.

TERAS KELOMPANG

PRINSIP KENDALIAN PENGUBAH  Mengikut hukum faraday, dge boleh diaruh dengan

pengalir memotong fluks magnet atau sebaliknya.  Hukum ini masih digunakan dalam kendalian pengubah dimana belitan gegelung primer yg disambung kebekalan a.u. akan menghasilkan fluks yg mengembang dan menguncup mengikut frekuensi arus bekalan.

●

Perubahan bentuk fluks ini mengakibatkan medan magnet memotong pengalir-pengalir belitan primer. Dge teraruh akan terhasil atau dipanggil juga kearuhan diri pada belitan primer.

●

Oleh kerana belitan sekunder berada pada teras yg sama atau berdekatan dengan belitan primer, sebarang perubahan fluks pada belitan primer yang menyebabkan terhasilnya kearuhan diri akan menghasilkan juga dge teraruh pada belitan sekunder atau kearuhan saling, dimana fluks yang sama digunakan pada kedua-dua belitan.

●

Dge yg terhasil dibelitan sekunder akan disambung kebeban untuk bekalannya. Dge ini berkadar terus dengan kadar perubahan arus dibelitan primer.

●

Sekiranya arus dibelitan primer berbentuk gelombang sinus, gelombang dge teraruh dibelitan sekunder juga berbentuk sinus.

NISBAH PENGUBAH  Sungguhpun tidak terdapat bahagian-bahagian

bergerak pada pengubah, kehilangan kuasa tetap wujud.  Kehilangannya dalam berbagai bentuk, tetapi bagi maksud pengiraan nisbah pengubah, dianggapkan bahawa pengubah tidak mengalami sebarang kehilangan.  Dalam erti kata lain, pengubah ini adalah unggul iaitu 100% bekalan dibelitan primer akan dipindahkan ke beban.

Persamaan Pengubah

Persamaan yg boleh ditunjukkan drpd keterangan di atas ialah seperti berikut. (Anggap pengubah adalah pengubah unggul) Kuasa diberikan (EpIp) = Kuasa yg dikeluarkan(EsIs)

Pp = Ps

Dalam pengubah yg sebenar, nisbah voltan primer dengan voltan teraruh dibelitan sekunder adalah bersamaan dengan nisbah diantara bilangan belitan primer (Np) dengan bilangan belitan sekunder (Ns)

Dalam pengubah yg sebenar, nisbah voltan primer (Ep) dengan voltan teraruh dibelitan sekunder (Es) adalah berkadar terus dengan nisbah belitan primer (Np) dengan bilangan belitan sekunder (Ns).

Dimana ‘a’ dipanggil sebagai ‘nisbah pengubah’ iaitu nisbah voltan primer terhadap voltan sekunder atau nisbah arus.

Jika a = 1; bermaksud voltan primer bersamaan dengan voltan sekunder. Pengubah yg mempunyai 1: 1 dikenali sebagai pengubah pemencil.

◘

Jika a > 1; bermaksud voltan primer lebih besar drpd voltan sekunder. Pengubah ini dipanggil pengubah penurun.

◘

Jika a < 1; bermaksud voltan primer lebih rendah drpd voltan sekunder. Pengubah ini dipanggil sebagai pengubah penaik.

Daripada persamaan pengubah unggul, bentuk nisbah ini juga diperolehi:-

Persamaan ini menerangkan bahawa arus dan voltan diantara litar primer dengan litar sekunder adalah berkadar songsang. Contohnya, jika arus dibelitan primer tinggi, voltannya rendah. Sebaliknya jika arus dibelitan sekunder rendah, voltannya tinggi.

Contoh pengiraan: Diberi nilai-nilai berikut pada sebuah pengubah.

Ep = 100V ,

Ip = 15A

Es = 10V ,

Is = ?

Sebuah pengubah unggul mempunyai 100 belitan primer dan 50 belitan sekunder. Jika bekalan 240V, 50Hz dibekalkan ke bahagian primer, kirakan i-

voltan sekunder

ii-

arus sekunder dengan beban 25 ohm

iii-

arus utama semasa berbeban

Penyelesaian Np=100 Ns=50 Ep=240 Es=? i-

ii-

iii-

Pengubah bernisbah 1 : 10 mempunyai beban sekunder 1000Ω. Jika voltan utama ialah 200V, kirakan: i-

voltan dan arus sekunder

ii-

arus primer

iii- rintangan belitan primer

i-

Ep = 200V ,

Rs = 1000 ohm

nisbah 1 : 10 (pengubah penaik)

EpX10=EsX1

ii-

iii-

KEHILANGAN DAN KECEKAPAN a.

Jenis Kehilangan Kuasa Satu pengubah yg benar-benar unggul tidak wujud kerana pemindahan kuasa dari belitan primer ke belitan sekunder melibatkan rintangan belitan dan fluks magnet.

Kehilangan yg disebabkan oleh pengalir belitan sekunder dan primer tetap berlaku dalam semua jenis alat elektrik. Kehilangan ini dikenali sebagai kehilangan kuprum atau lebih mudah dipanggil kehilangan kuasa (I² R). Kehilangan ini dalam bentuk haba dimana pengaliran arus dalam belitan pengalir dihalang oleh rintangan pengalir itu. Akibatnya haba dan tenaga yg dihantar kebelitan primer akan berkurangan. Begitu juga apabila tenaga ini sampai kebelitan sekunder, kehilangan ini tetap berlaku.

Jika litar sekunder itu lengkap(berbeban) di mana arus sekunder mengalir melalui belitan pengalir sekunder, kehilangan ini tidak boleh diatasi sama sekali tetapi kadarnya dapat dikurangkan dengan pemilihan saiz pengalir yg betul. Apabila fluks magnet bertukar pada setiap kali perubahan frekuensi arus bekalan, ia bukan saja memotong belitan pengalir primer dan sekunder tetapi juga memotong teras pengubah.

Oleh kerana teras diperbuat drpd besi atau keluli (bahan pengalir), arus teraruh juga terhasil dalam teras pengubah yg dikenali sebagai arus pusar. Arus pusar ini akan menjejaskan kecekapan pengubah dimana ianya akan memanaskan teras dan seterusnya kuasa kemagnetan yg dapat dihasilkan akan berkurangan. Ini mengakibatkan kuasa yg dapat dipindahkan kebelitan sekunder juga berkurangan. Kehilangan yg disebabkan oleh arus pusar ini dipanggil kehilangan arus pusar (eddy current losses)

Satu lagi kehilangan yg disebabkan oleh teras ialah kehilangan histerisis. Kehilangan ini sebenarnya ialah kehilangan kekuatan magnet atau dalam erti kata lain daya garisan-garisan magnet tertinggal kebelakang daya kemagnetan kerana bukan kesemua domain-domain magnet akan mengubah arahnya. Akibat kehilangan histerisis, kekuatan magnet berkurangan seterusnya menyebabkan dge yg dapat diaruhkan juga berkurangan. Oleh itu kuasa yg dapat dipindahkan juga berkurangan.

Disamping itu, satu lagi bentuk kehilangan yg tidak dapat dielakkan ialah kehilangan yg disebabkan oleh kebocoran fluks magnet dimana tidak kesemua fluks magnet akan memotong pengalir sekunder. Sebahagiannya akan hilang dalam litar kemagnetan atau terkeluar dari litar megnet.

Kesimpulannya, kehilangan-kehilangan pengubah bolehlah dibahagikan kepada 2 jenis, iaitu:-

◘

Kehilangan kuprum (I² R )

◘

Kehilangan besi/teras (dalam bentuk arus pusar, histerisis dan kebocoran fluks magnet)

b.

Ujian Pengukuran Kehilangan

 Dua jenis ujian yg biasa dilakukan untuk mengetahui

kehilangan yg berlaku dalam pengubah ialah :◘ Ujian litar terbuka ◘ Ujian litar pintas Oleh kerana pengubah tidak ada bahagian yg bergerak, ujianujian pengukuran kehilangan tidaklah sesukar menguji mesinmesin a.u yg besar. Beban tidak perlu disambungkan semasa ujian ini dijalankan.

i. Ujian litar terbuka / tanpa beban ◘ Tujuan utama ujian ini ialah untuk mengesan kehilangan yg berlaku semasa pengubah ini belum di sambungkan kebeban. Ujian ini dapat menyukat kehilangan besi/magnet/teras. ◘ Satu drpd belitan pengubah akan dibiarkan terbuka, biasanya belitan yg mempunyai voltan lebih tinggi. Belitan kedua pula disambung ke voltan dan frekuensi biasa bersama-sama dengan wattmeter, voltmeter dan ammeter.

◘

Apabila bekalan diberikan kebelitan voltan rendah itu, fluks biasa akan terhasil dalam teras. Kehilangan besi akan berlaku. Kehilangan ini dicatatkan oleh meter watt. Nilai kehilangan besi ini adalah malar samada berbeban penuh atau tidak.

◘

Ammeter ditugaskan menyukat arus tanpa beban. Ia biasanya 2% hingga 10% drpd kadaran arus beban. Kehilangan kuprum dibelitan primer terlalu kecil dan boleh diabaikan dan tidak ada sebarang kehilangan kuprum dibelitan sekunder.

◘

Kadangkala voltmeter yg mempunyai rintangan tinggi disambungkan ke bahagian sekunder bagi mengambil bacaan voltan dge yg teraruh dibelitan sekunder disamping mencari nisbah pengubah.

ii.

Ujian litar pintas / ujian galangan

 Ujian ini dijalankan bagi mengetahui kehilangan kuprum

semasa berbeban penuh atau pada sebarang beban yg dikendali, disamping galangan (Z01 atau Z02) dan kebocoran regangan (X01 atau X02).  Rintangan (R01 atau R02) juga dapat ditentukan bergantung kepada tempat dimana alat-alat pengukuran itu dipasangkan.

◘

Bagi menjalankan ujian ini, belitan voltan rendah akan dilitar pintaskan dengan satu pengalir atau dilitar pintaskan dengan ammeter.

◘

Ammeter dapat mencatatkan bacaan kadaran arus beban. Voltan yg rendah (biasanya 5% hingga 10% voltan primer) pada frekuensi yg sama dengan frekuensi bekalan dinaikkan sehingga ammeter dibelitan sekunder mencatatkan bacaan arus beban penuh pengubah itu.

◘

Wattmeter akan mencatatkan kehilangan kuprum bagi kedua-dua belitan. Ini disebabkan kehilangan besi amat kecil. Kerana voltan ujaan ini kecil, fluks saling juga kecil (Фm α V )

◘

Kehilangan kuprum berubah pada kadar kuasa dua beban. Ini bererti pada separuh beban penuh, pengubah ini mempunyai kehilangan kuprum (½)² atau ¼ ketika beban penuh.

c. Kecekapan  Kecekapan sesebuah pengubah adalah terjejas

disebabkan oleh kehilangan besi dan kuprum.  Jika kedua-dua jenis kehilangan ini ditunjukkan secara formula, ianya akan menjadi seperti berikut:

Peratus

=

kecekapan =

keluaran

x 100%

masukan keluaran

x 100%

keluaran + Σ kehilangan besi + Σ kehilangan kuprum = Vs Is x f.k

x 100%

Vs Is x f.k + I² R + Pc = masukan

-

masukan

kehilangan

x 100%

=(1

- kehilangan ) x

100%

masukan Dimana: Vs

=

voltan keluaran/sekunder

Is

=

arus keluaran/sekunder

f.k. =

faktor kuasa

I² R =

jumlah kehilangan kuprum

Pc

jumlah kehilangan besi/magnet

=

Contoh pengiraan: 

i. ii.

Sebuah pengubah 10KVA mempunyai kehilangan besi 600W dan kehilangan kuprum 700W pada f.k 0.85. kirakan kecekapan pengubah ini pada Beban penuh Tiga perempat beban

Nota:

beban penuh bererti arus beban maksimum yg boleh dibawanya mengikut catatan plat nama pengubah itu.

Pada beban Pada ¾ beban penuh penuh Kehilangan kuprum (I² R )

700W

700 x (¾)² = 393.75W

Kehilangan besi (Pc)

600W

600W

Kuasa keluaran

10KVA

10KVA x ¾ = 7.5 KVA

Faktor kuasa (f.k)

0.85

0.85

i. Kecekapan beban penuh = kuasa keluaran x f.k

x 100%

kuasa keluaran x f.k + I²R + Pc = 10 x 0.85 x 10³ 10 x 0.85 x 10³ + 700 + 600 = 86.73%

x 100%

ii.

Kecekapan ¾ beban penuh

= kuasa keluaran ¾ beban penuh x f.k

x 100%

kuasa keluaran ¾ beban penuh x f.k + I²R x (¾)² + Pc = 10³ x 7.5 x 0.85 10³ x 7.5 x 0.85 + 393.75 + 600 = 86.51%

x 100%

d.

Pengaturan Voltan

 Apabila pengubah diberikan beban, voltan dibelitan sekunder

akan jatuh (bagi f.k mengekor) dan voltan primer dianggap malar/tetap.  Perubahan voltan sekunder semasa tidak berbeban kepada beban penuh ini boleh ditakrif sebagai pengaturan voltan bagi pengubah.  Perubahan ini boleh dinyatakakan dalam unit atau peratus pengaturan voltan.

◘

Ringkasnya, pengaturan voltan boleh ditulis secara formula berikut:-

◘

Unit pengaturan voltan = (voltan tanpa beban) – (voltan beban penuh)

◘

% pengaturan voltan= V t.b - V b.p V b.p

x 100%

Soalan:Hasil drpd ujian litar pintas, beberapa bacaan diperolehi bagi pengubah 5KVA. Rintangan belitan primer ialah 0.68Ω dan belitan sekunder ialah 0.0068Ω. Kehilangan kuprum (P) = 640W Voltan ujian (Eop)

= 80V

Arus primer (Iop)

= 21A

Nisbah pengubah semasa ujian = 10 : 1(iaitu 2400V : 240V) Pengubah ini dibebankan dengan rintangan, kirakan: a. Voltan tanpa beban b. Peratus pengaturan voltan

Penyelesaian: Arus beban penuh (Is) = VA

=

5 x 10³

Es

240

= 20.83A Rintangan primer (Rop) = kehilangan kuprum = P

(arus primer)²

Iop²

= 640 = 640 = 1.45Ω 21²

441

Rintangan sekunder (Ros) = Rop x Nos =

1.45 x 1

Nop

10

= 1.45Ω

Galangan primer (Zop) = voltan ujian = Eop arus primer

= 80 21

=

Iop

3.81Ω

Regangan primer (Xop) = √ Zop² - Rop² = √ 3.81² - 1.45² = 3.52Ω

Regangan sekunder (Xos) = Xop x Nos Nop

= 3.52 x 1 10 = 0.352Ω

Lukiskan gambarajah vektor untuk memudahkan penyelesaian. Faktor rujukan ialah arus.

a. Drpd gambarajah vektor diatas, dapatlah dikira nilai voltan sekunder semasa tidak berbeban. E = √ (Es + Eo ros)² + (Eo xos)²

= √ (Es + Is Ros)² + (Is Xos)² = √ (240 + 20.83 x 0.145)² + (20.83 x 0.352)² =

243 Volt

b.Peratus pengaturan voltan = Vt.b

-

Vb.p

x 100%

Vb.p = 243 - 240

240 = 1.25%

x 100%