Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 1
PEMODELAN DAN SIMULASI TRANSFORMATOR PADA KONDISI
OPEN-CIRCUIT PADA SALAH SATU FASANYA
Horin Relevando Silitonga*, Budhi Anto**
*Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Riau **Dosen Teknik Elektro Universitas Riau Kampus Binawidya Km 12,5 Simpang Baru Panam, Pekanbaru 28293
Jurusan Teknik Elektro Universitas Riau Email: relevando@gmail.com
ABSTRACT
The transformer is widely used for increasing and decreasing the voltage of the power system. Loading on the transformer impact the reliability of the transformer. Sometimes an interruption in the transformer that causes malfunction of transformers, which are circuit. This paper describes how the condition occurs in the transformer during an open-circuit. Modeling conducted to observe the characteristics of the transformer. Modeling done by modeling the iron core construction purposes 400kVA step-down transformer 20KV / 400V by using software MATLAB / Simulink R2015A. The results of this paper to show the characteristics of the transformer which indicates that there is an unbalance between voltage and current on the primary side and secondary on the transformer.
Keywords : three phase transformer, open-circuit, fault, modeling, MATLAB/Simulink
I. PENDAHULUAN
Transformator adalah suatu peralatan listrik yang dapat memindahkan energi listrik atau mengubah energi listrik bolak-balik dari satu level ke level tegangan yang lain melalui kinerja satu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.
Kondisi open-circuit menjadi salah satu gangguan yang sering terjadi pada jaringan sistem tenaga, secara khusus pada jaringan tegangan menengah (seperti 20KV atau dibawahnya) di daerah pedesaan atau tempat terpencil. Konduktor penghantar yang rusak, sambungan yang longgar atau fuse yang putus dapat menyebabkan open-circuit.
Kondiri open-circuit tersebut juga menyebabkan tegangan dan arus pada tiap fasanya menjadi tidak seimbang pada saluran tegangan menengah, ketidakseimbangan fasa tersebut dapat berpengaruh langsung pada transformator, jika transformator tersebut dicatu dengan tegangan dan arus yang tidak seimbang, hal tersebut dapat menyebabkan kerusakan yang permanen pada transformator tersebut.
Pada penelitian ini, penulis ingin mengetahui bagaimana karakteristik transformator tersebut bila sisi tegangan menegahnya di berikan kondisi open-circuit
pada salah satu fasanya.
II. LANDASAN TEORI
A. Konstruksi Inti Besi
Transformator tiga fasa dibentuk dengan satu dari antara dua cara yaitu; dengan menghubungkan ketiga belitan satu fasa pada satu tangki, atau memisahkan ketiga belitan pada masing-masing inti besi. Konstruksi inti besi terdiri dari legs
(atau limbs). Belitan primer dan sekunder
dapat dihubungkan secara Y atau ∆. Kedua
belitan primer dan sekunder dari tiap fasa di tempatkan pada lengan yang sama dengan belitan tegangan tinggi di tempatkan di sisi luar. Keuntungan dari konstruksi ini yaitu pemasangan isolasi tegangan tinggi yang lebih mudah dan fluks bocor yang dihasilkan juga lebih kecil. Konstruksi transformator tiga fasa ditunjukkan pada gambar 1.
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 2 Gambar 1. Konstuksi transformator tiga lengan
B. Rangkaian Magnetik Transformator
2 m 2 l 1 l N1 + -v1 i1 N2 + -v2 i2 1 m
Gambar 2. Rangkaian Magnetik Transformator
Menurut hukum faraday persamaan tegangan dapat dinyatakan dalam bentuk matriks sebagai berikut :
2 1 2 1 2 1 2 1 0 0 dt d i i r r v v (1) dt dλ ri v (2)
C. Model Transformator Tiga Fasa
Model transformator tiga fasa, pada dasarnya dapat di modelkan dengan dengan tiga transformator satu fasa yang di kopel pada satu lengan yang ditunjukkan pada gambar 3. V1 i1 + V4 i4 + V2 i2 + V5 i5 + V3 i3 + V6 i6 +
Fasa A Fasa B Fasa C
Gambar 3. Konstuksi transformator tiga lengan
Konstruksi inti besi transformator tiga fasa tiga lengan ditunjukkan pada gambar 4.
P anj a ng L im b ( l )
Panjang Yokes (l) Panjang Yokes (l)
A A A
A A
A A
Fasa A Fasa B Fasa C
C B A
Gambar 4. Konstruksi inti besi transformator tiga fasa tiga lengan
Tegangan induksi akan menghasilkan fluks magnet pada masing masing belitan dapat di hitung dengan persamaan berikut :
E t dt N () 1 (3) Dimana :E = Gaya gerak listrik induksi N = Jumlah belitan di sisi primer = Fluks magnetik
t = Waktu (s)
Fluks yang mengalir pada setiap Luas penampang inti besi (section) dari inti besi juga dapat dihitungan dengan persamaan sebagai berikut : A B (4) Dimana : = Fluks magnetik
A = Luas penampang inti besi (m2)
B = kerapatan fluks
Reluktansi itu sendiri dapat dihitung dengan persamaan berikut : A l (5) Dimana :
ℜ = Reluktansi (tahanan magnetis)(A-t/Wb)
l = Panjang jalur inti besi (m) A = Luas penampang inti besi (m2)
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 3
III. METODE PENELITIAN
Di bawah ini adalah gambaran alur penelitian yang akan dilakukan :
Mulai
Studi Literatur
Pengumpulan Data Parameter Transformator
Tiga Fasa Tiga Lengan
Pemodelan Konstruksi Inti Transformator Menggunakan MATLAB/Simulink Cukup? Simulasi Pemodelan Transformator Distribusi Dengan
Kondisi Open-Circuit Di Salah Satu Fasanya
Selesai Ya Tidak
Analisa Karakteristik Transformator Setelah Diberi Kondisi Open-Circuit Di Salah
Satu Fasanya Perhitungan Parameter
Konstruksi Inti Transformator
Gambar 5.Flowchart penelitian
Pada penelitian ini dilakukan pemodelan transformator tiga fasa tiga lengan dengan pendekatan konstuksi inti besi transformator. Data data yang diperlukan antara lain adalah spesifikasi umum dari transformator. Selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan parameter-parameter dari konstruksi inti besi transformator tiga fasa tiga lengan. Parameter-parameter yang perlu tentukan antara lain adalah dimensi inti, bentuk konstuksi, susunan belitan dengan inti besi, selanjutnya dilakukan perhitungan mengenai dimensi inti transformator, resistansi transformator, reaktansi transformator, jumlah lilitan transformator, inti besi transformator.
Model Transformator Tiga Fasa Pada MATLAB/Simulink
+
21
Gambar 6. Model simulink reluktansi bocor pada inti besi transformator
1 2
Gambar 7. Blok dari model reluktansi bocor
Model dari lintasan fluks magnet yoke dan
core dimodelkan pada blok pada gambar berikut. B-->H Phi-->NI 2 1 i + -Fluks s - + NI Look-Up Table L 1/A Fluks B H(A/m) NI
Gambar 8. Model simulink hubungan karakteristik
Curve
H
B yoke dan core
pada inti besi transformator
1 2
Gambar 9. Blok yoke-core pada inti besi transformator
Dan model reluktansi bocor, lintasan magnet, fluks, dan mmf dari keseluruhan rangkaian magnetik dari konstruksi inti besi transformator tiga fasa tiga lengan ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
NIabc_1_2 s -+ Fluks C2 s -+ Fluks C1 s -+ Fluks B2 s -+ Fluks B1 s -+ Fluks A2 s -+ Fluks A1 L2_4 L2_3 L2_2 1 2 L2_1 L1_3 L1_2 L1_1 v + -MMF_C2 v + -MMF_C1 v + -MMF_B2 v + -MMF_B1 v + -MMF_A2 v + -MMF_A1 2 1 1 phiabc_1_2 3 5 4 6 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Gambar 10. Model keseluruhan simulink rangkaian magnetik pada inti besi transformator tiga fasa
phiabc_1_2 NIabc_1_2
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 4 Rangkaian keseluruhan model transformator
tiga fasa tiga lengan ditunjukkan pada gambar 12. 6 C2 5 B2 4 A2 3 C1 2 B1 1 A1 v +-Vc2 v + -Vc1 v +-Vb2 v + -Vb1 v +-Va2 v + -Va1 + RmC2 + RmC1 + RmB2 + RmB1 + RmA2 + RmA1 + R2C + R2B + R2A + R1C + R1B + R1A Integrator s -+ ImagC2 s -+ ImagC1 s -+ ImagB2 s -+ ImagB1 s -+ ImagA2 s -+ ImagA1 phiabc_1_2 NIabc_1_2 Inti -K-1/N_turn -K-1/N_turn M Vp1 Ip1 Vs1 Is1 MMF (NI) Fluks Arus Tegangan Fl uks_abc Belit an 1 (Wb) Fl uks_abc Belit an 2 (Wb) 1 s
Gambar 12. Rangkaian keseluruhan model transformator tiga fasa tiga lengan
Setelah melakukan perhitungan parameter konstruksi model transformator tiga fasa tiga lengan maka didapatkan parameter untuk diinputkan kedalam model MATLAB/Simulink. Data parameter sebagai berikut.
Tabel 1. Data Parameter Transformator Tiga Fasa Data Parameter Transformator Tiga Fasa
Daya Transformator 400 KVA
Frekuensi Transformator 50 Hz
Tegangan Primer 20 KV
Resistansi Belitan Primer 21.73
Reaktansi Belitan Primer 298.16
Jumlah Belitan Primer 3984 lilitan
Tegangan Sekunder 400 V
Resistansi Belitan Sekunder 0.00233
Reaktansi Belitan Sekunder 0.036
Jumlah Belitan Sekunder 46 lilitan
Tinggi Core 0.84m
Luas Permukaan Core 0.0195m2
Lebar Yoke 0.46m
Luas Permukaan Yoke 0.02145m2
Rugi Inti 1360watt
PEMODELAN DAN SIMULASI TRANSFORMATOR
PADA KONDISI OPEN-CIRCUIT PADA SALAH SATU FASANYA
Kondisi Open-circuit Continuous CT Primer com A B C a b c A B C 400 kVA 400V CT Sekunder A1 B1 C1 A2 B2 C2 Transformator Tiga Fasa Vp1 Ip1 Vs1 Is1 Vs Is Vp Ip Sumber Tegangan Fluks Arus Fasa Primer Tegangan Fasa Primer Arus Saluran Primer Tegangan Saluran Primer
Arus Fasa Sekunder Arus Saluran Sekunder Tegangan Saluran Sekunder
Tegangan Fasa Sekunder
Fluks Belitan Primer NAMA : HORIN RELEVANDO SILITONGA NIM : 1207113831
Gambar 13. Model Keseluruhan
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Transformator Saat Normal
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi normal dan dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik tegangan dan arus pada sisi primer seperti gambar dibawah.
104
-4 -2 0 2
4 Tegan gan Salu ran Primer
-20 -10 0 10
20 Aru s Salu ran Primer
104
-4 -2 0 2
4 Tegan gan Fasa Pr ime r
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-10 0
10 Aru s Fasa P rimer
Offset=0
Gambar 14. Karakteristik tegangan dan arus primer saat normal beban 100%
Berdasarkan gambar diatas karakteristik hasil simulasi saat kondisi normal menunjukkan bahwa tegangan dan arus pada belitan dan saluran kondisi stabil dengan tegangan puncak saluran sebesar 28 KV, arus puncak saluran sebesar 15.86 A, tegangan puncak belitan sebesar 28 KV, dan arus puncak belitan sebesar 9.14 A. Perbedaan besar arus saluran dengan arus belitan dikarenakan sisi primer transformator hubung delta.
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi normal dan transformator tersebut dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik tegangan dan
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 5 arus pada sisi sekunder seperti gambar
dibawah.
-100 0 -500 0 500
100 0 Tegan gan Salu ran Sekunde r
-100 0 -500 0 500
100 0 Aru s Salu ran Sekund er
-400 -200 0 200
400 Tegan gan Fasa Se ku nder
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100 0 0
100 0 Aru s Fasa S eku nder
Offset=0
Gambar 15. Karakteristik tegangan dan arus sekunder saat normal beban 100%
Berdasarkan gambar diatas karakteristik hasil simulasi saat kondisi normal menunjukkan bahwa tegangan dan arus pada belitan dan saluran kondisi stabil dengan tegangan puncak saluran sebesar 548 V, arus puncak saluran sebesar 790 A, tegangan puncak belitan sebesar 318 V, dan arus puncak belitan sebesar 792 A. Perbedaan besar tegangan saluran dengan tegangan belitan dikarenakan sisi sekunder transformator hubung wye.
B. Transformator Saat Open-circuit
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi normal dan transformator tersebut dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik fluks magnet yang terdapat pada transformator seperti gambar dibawah. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02
0.03 Fluks Bel itan Pr ime r
Detik
W
ebe
r
Gambar 16. Karakteristik fluks magnet saat normal beban 100%
Berdasarkan gambar diatas karakteristik hasil simulasi saat kondisi normal menunjukkan bahwa fluks magnet yang terdapat pada transformator kondisi stabil dengan besar fluks magnet sebesar 0.02 Weber.
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi open-circuit
pada fasa A dan dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik tegangan dan arus pada sisi primer seperti gambar dibawah.
104
-4 -2 0 2
4 Tegan gan Salu ran Primer
-20 -10 0 10
20 Aru s Salu ran Primer
104
-4 -2 0 2
4 Tegan gan Belitan Primer
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-10 0
10 Aru s Belitan Pri me r
Am pe re Vo lt Am pe re Vo lt Detik
Fasa A Fasa B Fasa C
Gambar 17. Karakteristik tegangan dan arus primer
saat open-circuit beban 100%
Berdasarkan gambar diatas dapat dilihat bahwa karakteristik tegangan saluran serupa dengan tegangan belitan, dimana saat terjadi gangguan pada fasa A terjadi jatuh tegangan pada saluran AB dan CA menjadi 14 KV dan karakteristik tegangannya menjadi sefasa sedangkan pada saluran BC terlihat normal 28 KV. Dapat juga dilihat bahwa untuk arus saluran pada fasa A saat terjadi gangguan menjadi 0 A dan karakteristik arus pada fasa yang sehat menjadi terbalik 180dan besar arusnya menjadi lebih rendah dibanding saat kondisi normal.
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi open-circuit
pada fasa A dan dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik tegangan dan arus pada sisi sekunder seperti gambar dibawah.
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 6
-100 0 -500 0 500
100 0 Tegan gan Salu ran Sekunde r
-100 0 -500 0 500
100 0 Aru s Salu ran Sekund er
-400 -200 0 200
400 Tegan gan Belitan Sekun der
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100 0 0
100 0 Aru s Belitan Se kun der
A m per e Vol t Am per e Vol t Detik
Fasa A Fasa B Fasa C
Gambar 18. Karakteristik tegangan dan arus
sekunder saat open-circuit beban 100%
Berdasarkan gambar diatas dapat dilihat bahwa tegangan saluran berbeda dengan tegangan belitan, dimana saat terjadi gangguan pada fasa A terjadi jatuh tegangan pada saluran AB dan BC, karakteristik tegangannya menjadi terbalik 180sebesar 473.6 V dan pada saluran CA tegangannya menjadi 0 V. Dapat juga dilihat bahwa karakteristik arus saluran dan arus belitannya sama, hanya saja bernilai terbalik
180 sebesar 396 A. Untuk tegangan belitan karakteristiknya serupa dengan karakteristik arus saluran dan nilai tegangannya jatuh menjadi 159 V.
Setelah dilakukan simulasi pada transformator dengan kondisi open-circuit
dan transformator tersebut dibebani sebesar 100% dari kapasitasnya yaitu 400 KVA maka dihasilkan karakteristik fluks magnet yang terdapat pada transformator seperti gambar dibawah. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03
0.04 Fluks Bel itan Pr ime r
Detik
W
ebe
r
Fluks B elit an Fasa A Fluk s B elit an Fas a B Fluks B elit an Fasa C
Gambar 19. Karakteristik fluks magnet saat open-circuit beban 100%
Berdasarkan gambar diatas karakteristik hasil simulasi saat kondisi
open-circuit menunjukkan terjadi
ketidakseimbangan fluks yang berada pada
transformator dimana fluks magnet pada fasa A mengalami kenaikan menjadi 0.0286 Weber dan fluks pada fasa C juga mengalami kenaikan menjadi sebesar 0.0311 Weber. Sedangkan fluks magnet pada fasa B terlihat normal.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa pemodelan transformator kondisi open-circuit pada salah satu fasanya menggunakan MATLAB/Simulink R2015A berjalan dengan baik dimana terdapat jatuh tegangan pada semua kondisi saat diberi gangguan
open-circuit, jatuh tegangan terbesar yaitu saat transformator dibebani 100% dengan besar jatuh tegangan sebesar 3.12 % dan terdapat karakteristik transien.
B. Saran
Untuk pengembangan penelitian selanjutnya, dapat mencoba melakukan pemodelan beban dinamis.
DAFTAR PUSTAKA
SUONAN JiaLe, xu LiQiang, JIAO ZaiBin.
2015. “New equivalent circuit of
three-phase three-limb transformer
based on magnetic circuit
characteristics”. The International
Conference on Advanced Power System Automation and Protection.
Matja˘z Dolinar, Drago Dolinar, Gorazd ˘Stumberger, Bo˘stjan Polaj˘zer, and
Jo˘ze Ritonja. 2006. “A Three-Phase
Core-Type Transformer Iron Core Model With Included Magnetic Cross
Saturation”. IEEE Transactions On
Magnetics, VOL. 42, NO. 10.
Amir Norouzi. 2013. “Open Phase Conditions in Transformers Analysis
and Protection Algorithm”. GE
Digital Energy. Markham, ON
Paul Krause, Oleg Wasynczuk, Scott Sudhoff, Steven Pekarek. 2013.
“Analysis Of Electric Machinery And
Drive Systems”. Institute of Electrical
Jom FTEKNIK Volume 4 No.1 Februari 2017 7 Dehuai Zeng (Ed.). 2011. “Advances in
Electrical Engineering and Electrical
Machines”. Springer-Verlag Berlin
Heidelberg.
Nasser D. Tleis. 2008. “Power Systems
Modelling and Fault Analysis”.
