PENGUBAH (TRANSFORMER)

PENGENALAN Pengubah ialah satu peranti yang menggunakan aruhan magnetik untuk menggandingkan tenaga elektrik dari litar masukan kepada litar keluaran, tanpa mempunyai sebarang sambungan elektrik diantara kedua-dua litar tersebut.

STRUKTUR ASAS PENGUBAH Scan gambar Rajah 1: Pengubah

TERAS Terdiri daripada kepingan keluli berlapis dengan setiap satunya mempunyai ketebalan lebih kurang 0.35mm Ditebatkan diantara satu sama lain dengan lapisan tipis varnis.

Teras dililitkan dengan dua set belitan iaitu: Belitan utama (N1) Belitan sekunder (N2) Belitan utama disambungkan ke sumber bekalan (V1). Belitan sekunder disambungkan ke beban (V2).

ARUS BELITAN UTAMA Aliran arus didalam belitan utama akan terlaras secara automatik untuk memenuhi keperluan keluaran (arus beban). Oleh itu, apabila tiada sebarang arus digunakan daripada belitan sekunder (i.e.tanpa beban), belitan utama juga tidak akan mengalirkan arus, KECUALI arus ujaan.

Nilai arus ujaan adalah sangat rendah iaitu setakat cukup untuk mengekalkan kewujudan litar magnet. Oleh itu, arus ujaan jarang diambilkira dalam analisis biasa dan diabaikan. Dalam keadaan berbeban, aliran arus didalam belitan utama adalah berkadaran dengan beban pada bahagian sekunder.

NISBAH PENGUBAHAN

NISBAH PENGUBAHAN Apabila voltan AU dikenakan ke belitan utama, fluks ulang alik () akan terbentuk didalam teras keluli. Fluks ini akan berubah-ubah mengikut nilai voltan seketika gelombang sinus dibahagian utama.

Fluks yang berubah-ubah ini akan menjana voltan didalam belitan utama Fluks yang berubah-ubah ini akan menjana voltan didalam belitan utama. Voltan ini dikenali sebagai voltan aruhan. Mengikut Hukum Faraday: “magnitud voltan aruhan yang dijana pada belitan ini bergantung kepada kadar pergerakan relatif diantara fluks dan belitan, dan juga bilangan belitan (N).”

Maka, voltan aruhan boleh diberi dengan persamaan berikut: Dimana, voltan aruhan (E- unit volts), bilangan lilitan (N), perubahan fluks (- unit weber), dan perubahan masa (t- unit saat).

Voltan teraruh juga akan menyebabkan arus mengalir dalam litar. Arus ini dikenali sebagai arus aruhan. Didapati arus aruhan akan mengalir mengikut arah dimana, daya gerak magnetik (d.g.m.) yang dihasilkannya akan melawan perubahan fluks yang berlaku dalam gegelung/belitan.

Jika fluks magnet meningkat: d. g. m Jika fluks magnet meningkat: d.g.m. yang dihasilkan oleh arus aruhan akan menghalang peningkatan fluks itu. Sebaliknya, jika fluks menurun: d.g.m. dari arus aruhan akan menghalang penurunan itu.

Jika kesemua fluks yang dihasilkan oleh belitan utama dapat melintasi belitan sekunder, maka; D.g.e belitan utama = D.g.e belitan sekunder

Jika N1 dan N2 mewakili bilangan lilit belitan utama dan sekunder, maka:

Apabila bahagian sekunder pengubah tidak mempunyai beban, iaitu berkeadaan litar buka: maka voltan sekunder (V2) adalah sama dengan d.g.e. teraruh (E2) dalam belitan sekunder.

Dengan itu, arus utama akan menjadi terlalu kecil (tiada beban untuk dibekalkan) supaya voltan utama (V1) juga mempunyai magnitud yang sama dengan d.g.e. teraruh didalam belitan utama (E1), tetapi dengan kekutuban yang bertentangan.

Oleh itu, (1)

Dengan menganggapkan pengubah mempunyai kecekapan 100% (unggul) (2) Jumlah kuasa masukan tidak boleh melebihi jumlah kuasa keluaran. (3)

Samakan persamaan (2) dan (3): (4)

Dari persamaan (1) dan (4), dapat ditulis sebagai: (5) Persamaan (5) dikenali sebagai nisbah pengubahan bagi sesebuah pengubah.

SIMBOL PENGUBAH

SIMBOL PENGUBAH Simbol pengubah pada asasnya terdiri daripada dua gegelung dengan kedua-dua paksinya berkedudukan selari. Simbol asas ini boleh diubahsuai dengan banyak cara, seperti yang ditunjukkan dalam rajah 6.

Rajah 6: Simbol pengubah (a) Teras udara (b) Teras besi (d) Berbilang sekunder (c) Sekunder tersadap tengah Rajah 6: Simbol pengubah

PENGUBAH LANGKAH NAIK/TURUN

1. Pengubah Langkah Turun Perhatikan bahawa, apabila voltan meningkat, arus akan mengurang dan sebaliknya, apabila voltan mengurang, arus akan meningkat. Jika N2 < N1 maka, V2 < V1 : pengubah yang memiliki ciri-ciri ini dikenali sebagai pengubah langkah turun (step down transformer).

Rajah 2: Pengubah Langkah Turun

2. Pengubah Langkah Naik Jika N2 > N1 maka, V2 > V1 : pengubah yang memiliki ciri-ciri ini dikenali sebagai pengubah langkah naik (step up transformer).

Rajah 3: Pengubah Langkah Naik

(JAW: N2= 63 lilit, N2= 1450 lilit) CONTOH Sebuah pengubah dengan 725 lilit dawai pada belitan utamanya disambungkan ke bekalan 15V. Berapakah bilangan lilit yang diperlukan pada belitan sekunder untuk menghasilkan: (a) 10 V (b) 230 V (JAW: N2= 63 lilit, N2= 1450 lilit)

CONTOH Belitan voltan tinggi sebuah pengubah mempunyai voltan kadaran 480V dan lilitan sebanyak 400 lilit. Tentukan bilangan lilit belitan voltan rendah, jika kadaran voltannya ialah 120V.

CONTOH Sebuah pengubah langkah turun mempunyai voltan sekunder sebanyak 120V. Perintang 5 disambung melintangi belitan sekunder pengubah tersebut. Jika arus utama pengubah ini ialah 6A, berapakah voltan utama pengubah ini?

CONTOH Belitan voltan rendah sebuah pengubah langkah turun mempunyai hanya satu lilit, manakala belitan voltan tingginya mempunyai 600 lilit. Apabila pengubah ini membekalkan arus 100A, berapakah nilai arus yang mengalir didalam belitan voltan tinggi?

PENGATURAN PENGUBAH

Rajah 4: Prinsip pengaturan pengubah

Merujuk rajah 4, apabila bekalan disambung ke belitan utama dengan kesemua suis beban terbuka (off), tiada sebarang arus yang mengalir didalam belitan utama. Apabila suis beban S1 ditutup (on), arus beban 5A akan mengalir didalam belitan sekunder. Dengan menggangap pengubah adalah ideal, maka arus yang mengalir dibahagian utama juga adalah 5A

Apabila S2 ditutup (dengan S1 masih berkeadaan tertutup) arus yang mengalir didalam litar sekunder meningkat kepada 10A. Sifat pengaturan yang dimiliki oleh pengubah akan menyebabkan belitan utama juga akan mengalirkan arus sebanyak 10A. Keadaan yg sama berlaku apabila S3 turut diaktifkan. Belitan utama akan mengalirkan arus 15A untuk membolehkan belitan sekunder juga mendapat arus 15 A

KADARAN PENGUBAH

KADARAN PENGUBAH Kadaran pengubah perlu diketahui dengan tepat supaya sesuatu pengubah itu sesuai dengan penggunaannya. Pengubah yang beroperasi melebihi had kadarannya akan cenderung untuk menjadi panas dan akhirnya akan cepat rosak.

Bergantung kepada saiznya, sesuatu pengubah hanya boleh membawa sejumlah arus yang tertentu tanpa mengakibatkan kesan pemanasan yang lebih. Arus yang maksimum yang mampu dikendalikan oleh pengubah dikenali sebagai arus beban penuh.

Kadaran pengubah biasanya dinyatakan dalam sebutan Kuasa Ketara, iaitu: Kadaran bagi pengubah bersaiz kecil biasanya dinyatakan dalam sebutan VA.

CONTOH Pengubah satu fasa yang mempunyai kadaran 250 kVA, 11000 V/400 V, 50 Hz mempunyai lilitan sekunder sebanyak 80 lilit. Kirakan: (a) Arus utama dan sekunder (I1,I2) (b) Bilangan lilitan utama (N1) [Jaw: 22.7A,625A,2200 lilit]

KEHILANGAN/ KECEKAPAN

KEHILANGAN DAN KECEKAPAN Secara praktikalnya, tidak semua kuasa yang dibekalkan ke pengubah berjaya disalurkan ke beban. Sebahagian daripada kuasa ini akan ‘hilang’ pada teras dan belitan-belitan pengubah. Bergantung kepada penggunaan, kehilangan pada pengubah biasanya dalam lingkungan 1% hingga 5%.

JENIS-JENIS KEHILANGAN Terdapat 3 jenis kehilangan (losses) yang biasa berlaku didalam pengubah iaitu: (1) Kehilangan kuprum/tembaga, PCU(copper) (2) Kehilangan arus pusar (eddy current) (3) Kehilangan histerisis

1. KEHILANGAN KUPRUM Belitan utama dan sekunder pengubah dililit dengan menggunakan dawai kuprum. Kehilangan kuprum adalah kehilangan kuasa yang berlaku didalam kedua-dua belitan ini. Dawai kuprum dipilih adalah kerana ciri-cirinya yang mempunyai rintangan yang rendah.

Kehilangan kuprum boleh dikira menggunakan formula: Dimana, R ialah rintangan dawai belitan.

Kehilangan kuprum diabaikan? Apabila pengubah tidak mempunyai beban: tiada sebarang arus yang akan mengalir didalam belitan sekunder. Maka, jumlah arus yang mengalir dalam belitan utama juga adalah sangat kecil. Dengan itu, kehilangan kuprum (I2R) akan menjadi terlalu kecil dan diabaikan.

2. KEHILANGAN ARUS PUSAR Fluks magnet yang berubah-ubah didalam teras pengubah akan mengaruh voltan pada sebarang pengalir yang berada dikawasan medan tersebut. Oleh kerana teras itu sendiri merupakan bahan pengalir, maka fluks magnet barubah bukan sahaja mengaruh voltan didalam belitan pengubah, malah didalam teras juga.

Voltan yang teraruh didalam teras pengubah ini akan menyebabkan wujudkan arus yang berpusar didalam teras tersebut. Arus ini dikenali sebagai arus pusar. Kehilangan kuasa berlaku disebabkan arus pusar ini dan dikenali sebagai “Kehilangan arus pusar”.

Bagaimana atasi Arus pusar? Kehilangan arus pusar dapat dikurangkan dengan cara: meninggikan rintangan laluan yang dilalui oleh arus pusar. Lihat rajah 5. Ini boleh dilakukan dengan membina teras yang berlapis-lapis dengan setiap lapisan teras ditebatkan menggunakan lapisan varnis.

Rajah 5: Arus pusar

3. KEHILANGAN HISTERISIS Kehilangan histerisis berlaku akibat dari kesan kemagnetan baki. Kemagnetan baki adalah fenomena dimana kemagnetan sesuatu bahan itu akan terus kekal walaupun sesudah daya kemagnetan dikeluarkan.

Bagaimana ia berlaku? Setiap kali arus utama bertukar arah (ulang-alik), kekutuban teras pengubah akan menyongsang. Setiap kali kekutuban teras pengubah menyongsang, sedikit tenaga akan digunakan. Tenaga ini digunakan untuk ‘memadam’ kemagnetan baki pada kekutuban teras bagi kitar yang seterusnya.

Kesan daripada itu, maka teras akan menjadi panas, seterusnya akan berlaku kehilangan. Kehilangan histerisis ini akan berlaku pada setiap separuh kitar. Perubahan separuh kitar ke separuh kitar yang lain memerlukan teras untuk memagnet semula dalam arah yang berlawanan.

Bagaimana mengatasinya? Kehilangan histerisis dikurangkan dengan mengambil/memilih bahan teras yang mempunyai kesan histerisis yang rendah. Biasanya, setiap bahan yang digunakan sebagai teras mempunyai spesifikasi tertentu termasuklah kesan histerisis yang dimilikinya. Diantara bahan yang mempunyai kesan histerisi yang rendah ialah keluli silikon.

KECEKAPAN PENGUBAH

KECEKAPAN PENGUBAH Fungsi pengubah adalah untuk memindahkan tenaga daripada belitan utama ke belitan kedua. Namun, teras besi dan belitan kuprum yang terdapat didalam binaan pengubah telah menyumbang kepada beberapa kehilangan seperti yg telah dibincangkan.

Itulah juga sebabnya pengubah akan menjadi panas ketika beroperasi. Sesetengah pengubah yang besar memerlukan sistem pendingin khas untuk mengawal kepanasan. Kehilangan-kehilangan ini telah menyebabkan sesetengah pengubah mempunyai kecekapan yang tidak memuaskan.

Formula kecekapan pengubah Namun, pada umumnya kecekapan pengubah boleh mencapai sehingga 99%. Penentuan kecekapan pengubah adalah menggunakan formula berikut: Kecekapan pengubah diwakili oleh simbol,. (6)

Kuasa keluaran, Po adalah kuasa yang diperlukan oleh beban. Manakala, kuasa masukan, Pin adalah kuasa yang perlu dihasilkan oleh sesebuah pengubah. Oleh itu, kuasa masukan perlu mengambilkira kehilangan-kehilangan didalam pengubah iaitu kehilangan kuprum (I2R) pada kedua-dua bahagian utama dan sekunder serta kehilangan teras (Pteras).

Maka, kuasa masukan diberikan: (7) Gantikan persamaan (7) kedlm pers. (6): (8)

Dimana, (9) Pkuprum (sekunder) Pteras Pkuprum (utama)

CONTOH Pengubah berkadaran 500 kVA mempunyai rintangan belitan utama dan sekunder masing-masing bernilai 0.42 dan 0.0019. Voltan utama dan sekunder adalah 11000 V dan 400 V. Diberi kehilangan teras, Pteras=2.9 kW. Kirakan kecekapan pengubah, jika faktor kuasa beban ialah 0.8.

UJIAN LITAR BUKA/PINTAS

UJIAN LITAR BUKA/TUTUP Terdapat dua jenis ujian yang dijalankan dengan tujuan untuk memastikan kecekapan dan pengaturan voltan pengubah pada tahap kejituan yang paling tinggi. Ujian-ujian tersebut ialah: (a) Ujian litar buka (open circuit test) (b) Ujian litar tutup (short circuit test)

1. UJIAN LITAR BUKA Untuk menjalankan ujian ini, pengubah akan disambung seperti didalam rajah 7. Sumber bekalan voltan dan frekuensi yang dikenakan adalah berpandukan pada spesifikasi pengubah tersebut. Kedua-dua meter volt pada bahagian utama dan sekunder akan memberikan nilai V1 dan V2.

Rajah 7: Ujian litar buka

Nisbah kedua-dua bacaan meter volt ini akan memberi nisbah pengubahan iaitu V1/V2. Nisbah ini juga menunjukkan nisbah lilitan pengubah. Perhatikan bahawa didalam ujian ini, pengubah adalah tidak mempunyai sebarang beban. Inilah sebabnya ia dikenali sebagai ujian litar buka.

Dengan itu, meter ampere A akan memberikan nilai bacaan arus tanpa beban. Bacaan arus ini adalah sebagai pemeriksaan terhadap kualiti magnet teras yang digunakan didalam pengubah. Nilai arus utama ini biasanya adalah kecil iaitu kurang dari 5% daripada arus beban penuh.

Oleh itu, jika dikira kehilangan kuasa kuprum bagi pengubah menggunakan formula: I2R maka, didapati pada keadaan tanpa beban, nilai I2R ini adalah kecil dan diabaikan. Bagaimanapun, nilai kehilangan teras (Pteras) akan tetap wujud sekalipun tanpa beban, kerana voltan utama dan sekunder masih wujud.

Oleh demikian, kita boleh katakan meter watt W yang terdapat dalam ujian ini hanyalah memberikan bacaan bagi kehilangan teras (Pteras).

Ringkasan bacaan meter bagi ujian litar buka Meter volt utama, V1: Bacaan V1 Meter watt: Kehilangan teras, Pteras = Poc Meter ampere utama: arus tanpa beban, INL Meter volt sekunder: Bacaan V2

UJIAN LITAR TUTUP Rajah 8 menunjukkan sambungan ujian litar tutup. Bahagian sekunder pengubah dilitar pintaskan melalui sebuah meter ampere, A2. Voltan yang rendah dibekalkan pada bahagian utama, dan voltan ini dilaraskan supaya ia mampu mengalirkan arus beban penuh didalam kedua-dua bahagian utama dan sekunder.

Rajah 8: Ujian litar tutup

Tidak seperti ujian litar buka, kehilangan kuprum iaitu I2R didalam belitan adalah sangat tinggi sepertimana pada beban penuh. Bagaimanapun, kehilangan teras, Pteras adalah rendah disebabkan voltan bekalan yang dikenakan adakah rendah dan diabaikan. Voltan bekalan yang rendah menyebabkan fluks juga adalah rendah iaitu hanya 1/20-1/30 daripada voltan dan fluks kadaran.

Dengan itu, semasa ujian litar tutup, kehilangan teras, Pteras yang berkadar langsung dengan kuasa dua fluks ini, adalah diabaikan. Oleh demikian, meter watt pada rajah hanya akan memberikan bacaan bagi kehilangan kuprum iaitu I2R.

Ringkasan bacaan meter bagi ujian litar tutup Meter volt utama: Bacaan V1= Vsc Meter watt: Kehilangan kuprum, Pkuprum = Psc Meter ampere utama, A1: Bacaan I1 Meter ampere sekunder, A2: Bacaan I2 = IFL

LAIN-LAIN JENIS PENGUBAH

PENGUBAH AUTO Satu-satunya kelainan pengubah auto berbanding pengubah lain ialah pengubah auto hanya mempunyai satu belitan sahaja. Lihat rajah 9. Nisbah pengubahan bagi pengubah auto adalah rendah, biasanya kurang dari 4:1.

Rajah 9: Pengubah Auto Langkah Turun

Pengubah auto hanya menggunakan sedikit kuprum dan dengan demikian kos pengeluarannya lebih rendah berbanding pengubah lazim. Untuk kadaran kuasa yang sama, pengubah auto mengendali dengan kecekapan yang lebih baik dan mempunyai saiz yang lebih kecil berbanding pengubah dua belitan lazim.

KEBURUKAN Satu keburukan pengubah auto ialah ia boleh mendatangkan bahaya jika digunakan untuk menurunkan voltan dengan kadar penurunan yang besar.

Contoh: Katakan sebuah pengubah auto digunakan untuk menurunkan voltan dari 415 V ke 110 V untuk kegunaan beban yang tertentu. Jika berlaku kerosakan pada belitan sepunya, beban akan menerima bekalan 415 V dan bukannya 110 V. Lihat rajah 10.

Rajah 10(a): Operasi normal

Rajah 10(b): Operasi kerosakan

PENGUBAH ALATAN Pengubah alatan adalah sejenis pengubah yang dibina khusus untuk mengukur voltan yang tinggi atau arus yang besar. Melalui pengubah alatan, kuantiti talian yang tinggi akan direndahkan kepada suatu nilai yang rendah dan selamat sebelum diukur oleh alatan seperti meter volt, meter ampere, atau meter watt.

Pengubah alatan juga dapat mengasingkan alatan pengukuran dan operator daripada talian voltan yang tinggi. Terdapat dua jenis pengubah alatan: (a) Pengubat arus (CT) (b) Pengubah upaya (PT) Rajah 11 menunjukkan kaedah penyambungan pengubah alatan ke litar voltan tinggi.

Rajah 11: Sambungan Pengubah Alatan

(a) PENGUBAH ARUS (CT) Pengubah arus (CT) disambung secara sesiri didalam litar ber arus tinggi untuk mengukur arus tersebut. Arus tinggi yang hendak diukur ini akan diturunkan kepada satu nilai terkadar iaitu kira-kira 5 A supaya sesuai digunakan untuk meter. Rajah 12 menunjukkan cara penyambungan meter ampere melalui pengubah arus.

Rajah 12: Pengubah Arus

Terdapat juga pengubah arus yang menjadikan talian yang hendak diukur sebagai belitan utama. Didalam kes sebegini, pengubah arus jenis bergelang akan digunakan. Dimana, belitan utama adalah talian yang hendak diukur, manakala belitan sekunder akan dililitkan ke gelang teras.

Rajah 13 menunjukkan cara penyambungan pengubah arus yang menjadikan talian sebagai belitan utama dan gelang teras sebagai belitan sekunder. Jika belitan sekunder mempunyai N lilitan, maka nisbah pengubahan adalah bersamaan dengan N. Oleh itu pengubah arus 300A/5A mesti mempunyai lilitan sekunder sebanyak 60 lilit.

Rajah 13: Pengubah arus teras bergelang

Binaan pengubah arus jenis teras gelang ini adalah paling mudah dan murah. Ini menjadikan penggunaannya paling meluas terutamanya dalam pemasangan elektrik dalam bangunan. Pengubah jenis ini juga sering digunakan didalam pemutus litar untuk mengawasi arus yang mengalir melaluinya.

(b) PENGUBAH UPAYA (PT) Pengubah upaya pada asasnya adalah sama dengan pengubah dua belitan biasa. Kelainan pengubah upaya ialah nisbah pengubahan voltan yang dimilikinya adalah sangat jitu. Bagi kebanyakan pengubah peralatan, peratusan ralat adalah pada 5% atau kurang.

Perlu diketahui bahawa nisbah pengubahan yang tidak tepat menyumbang kepada ralat yang besar. Sebagai contoh: jika sebuah pengubah alatan mempunyai ralat sebanyak 4%. Pengubah alatan ini digunakan untuk mengubah voltan 2400V kepada 120V, dengan nisbah pengubahan sebanyak 20:1.

Jika sebuah meter volt yang disambungkan melintangi belitan 120V, maka meter tersebut harus menunjukkan nilai 120V. Nilai ini kemudiannya akan didarabkan dengan nisbah pengubahan iaitu 20, dan memberikan jawapan akhir iaitu 2400V. Tetapi, pengubah tersebut mempunyai ralat sebanyak 4% pada nisbah pengubahan.

Maka, meter volt tersebut sebenarnya akan menujukkan nilai bacaan 115 Maka, meter volt tersebut sebenarnya akan menujukkan nilai bacaan 115.2V sahaja. Dan, jawapan akhir setelah didarabkan dengan nisbah pengubahan ialah 2304V. Ini menunjukkan terdapat ralat iaitu bacaan yang dikehendaki ialah 2400V manakala bacaan sebenar meter ialah 2304V. Maka ralat yang dihasilkan adalah sebanyak 96V.