Apa Tujuan Transformator?

Kebanyakan orang mungkin pernah mendengar tentang trafo dan sadar bahwa mereka adalah bagian dari yang selalu nyata namun tetap ada jaringan listrik misterius yang menyalurkan listrik ke rumah, bisnis, dan setiap tempat lain di mana "jus" berada dibutuhkan. Tetapi orang biasa menolak untuk mempelajari poin-poin yang lebih baik dari pengiriman tenaga listrik, mungkin karena seluruh proses tampaknya terselubung dalam bahaya. Anak-anak belajar dari usia muda bahwa listrik bisa sangat berbahaya, dan semua orang menyadari bahwa apapun kabel perusahaan listrik disimpan jauh dari jangkauan (atau kadang-kadang terkubur di dalam tanah) untuk alasan yang baik.

Tetapi jaringan listrik sebenarnya adalah kemenangan rekayasa manusia, yang tanpanya peradaban tidak dapat dikenali dari yang Anda huni hari ini. Trafo adalah elemen kunci dalam kontrol dan pengiriman listrik dari titik di mana ia diproduksi di pembangkit listrik sampai sebelum memasuki rumah, gedung perkantoran atau ujung lainnya other tujuan.

Bayangkan sebuah bendungan menahan jutaan galon air untuk membentuk danau buatan. Karena sungai yang memberi makan danau ini tidak selalu membawa jumlah air yang sama ke daerah tersebut, dengan airnya cenderung naik di musim semi setelah salju mencair di banyak daerah dan surut di musim panas selama masa kering, bendungan yang efektif dan aman harus dilengkapi dengan perangkat yang memungkinkan kontrol air yang lebih baik daripada sekadar menghentikannya agar tidak mengalir sampai permukaannya naik sedemikian rupa sehingga air tumpah begitu saja lebih dari itu. Oleh karena itu, bendungan mencakup semua jenis pintu air dan mekanisme lain yang menentukan berapa banyak air yang akan lolos ke sisi hilir bendungan, terlepas dari jumlah tekanan air di hulu sisi.

Kira-kira beginilah cara kerja trafo, hanya saja bahan yang mengalir bukanlah air melainkan arus listrik. Transformator berfungsi untuk memanipulasi tingkat tegangan yang mengalir melalui titik mana pun dalam jaringan listrik (dijelaskan dengan sangat rinci di bawah) dengan cara yang menyeimbangkan efisiensi transmisi dengan keamanan dasar. Jelas, ini menguntungkan secara finansial dan praktis baik bagi konsumen maupun pemilik pembangkit listrik dan jaringan untuk mencegah hilangnya daya antara listrik yang meninggalkan pembangkit listrik dan mencapai rumah atau lainnya tujuan. Di sisi lain, jika jumlah tegangan yang mengalir melalui kabel listrik tegangan tinggi biasa tidak berkurang sebelum memasuki rumah Anda, kekacauan dan bencana akan terjadi.

Tegangan adalah ukuran beda potensial listrik. Tata nama dapat membingungkan karena banyak siswa telah mendengar istilah "energi potensial", sehingga mudah untuk mengacaukan tegangan dengan energi. Sebenarnya, tegangan adalah energi potensial listrik per satuan muatan, atau joule per coulomb (J/C). Coulomb adalah satuan standar muatan listrik dalam fisika. Sebuah elektron tunggal ditugaskan -1,609 × 10^-19 coulomb, sedangkan proton membawa muatan yang sama besarnya tetapi berlawanan arah (yaitu, muatan positif).

Kata kuncinya di sini, sebenarnya, adalah "perbedaan". Alasan mengapa elektron mengalir dari satu tempat ke tempat lain adalah perbedaan tegangan antara dua titik referensi. Tegangan mewakili jumlah pekerjaan yang akan diperlukan biaya per satuan untuk memindahkan muatan melawan medan listrik dari titik pertama ke titik kedua. Untuk mengetahui skala, ketahuilah bahwa kabel transmisi jarak jauh biasanya membawa dari 155.000 hingga 765.000 volt, sedangkan tegangan yang masuk ke rumah biasanya 240 volt.

Pada tahun 1880-an, penyedia layanan listrik memanfaatkan arus searah (DC). Ini penuh dengan kewajiban, termasuk fakta bahwa DC tidak dapat digunakan untuk penerangan dan sangat berbahaya, membutuhkan lapisan isolasi yang tebal. Selama ini, seorang penemu bernama William Stanley menghasilkan kumparan induksi, sebuah perangkat yang mampu menciptakan arus bolak-balik (AC). Pada saat Stanley menemukan penemuan ini, fisikawan mengetahui fenomena AC dan keuntungannya akan memiliki dalam hal catu daya, tetapi tidak ada yang bisa menemukan cara untuk memberikan AC pada yang besar skala. Kumparan induksi Stanley akan berfungsi sebagai templat untuk semua variasi perangkat di masa mendatang.

Stanley hampir menjadi pengacara sebelum memutuskan untuk bekerja sebagai tukang listrik. Dia mulai di New York City sebelum pindah ke Pittsburgh, di mana dia mulai mengerjakan transformatornya. Dia membangun sistem tenaga AC kota pertama pada tahun 1886 di kota Great Barrington, Massachusetts. Setelah pergantian abad, perusahaan listriknya dibeli oleh General Electric.

Sebuah transformator dapat meningkatkan (menaikkan) atau menurunkan (mengurangi) tegangan yang berjalan melalui kabel daya. Ini secara longgar analog dengan cara di mana sistem peredaran darah dapat menambah atau mengurangi suplai darah ke bagian tubuh tertentu tergantung pada permintaan. Setelah darah ("kekuatan") meninggalkan jantung ("pembangkit listrik"), untuk mencapai serangkaian titik cabang, mungkin akan berakhir dengan perjalanan ke tubuh bagian bawah bukan tubuh bagian atas, dan kemudian ke kaki kanan bukannya kiri, dan kemudian ke betis bukannya paha, dll. Ini diatur oleh pelebaran atau penyempitan pembuluh darah di organ dan jaringan target. Ketika listrik dihasilkan di pembangkit listrik, transformator meningkatkan tegangan dari beberapa ribu hingga ratusan ribu untuk tujuan transmisi jarak jauh. Saat kabel ini mencapai titik yang disebut gardu listrik, trafo mengurangi tegangan hingga di bawah 10.000 volt. Anda mungkin pernah melihat gardu induk ini dan trafo tingkat menengahnya dalam perjalanan Anda; transformator biasanya ditempatkan dalam kotak dan terlihat sedikit seperti lemari es yang ditanam di pinggir jalan.

Ketika listrik meninggalkan stasiun-stasiun ini, yang biasanya dilakukan di sejumlah arah yang berbeda, itu bertemu trafo lain lebih dekat ke titik akhirnya di subdivisi, lingkungan dan individu rumah. Trafo ini mengurangi tegangan dari di bawah 10.000 volt menjadi sekitar 240 – lebih dari 1.000 kali lebih kecil dari tingkat maksimum yang biasa terlihat pada kabel tegangan tinggi jarak jauh.

Transformator, tentu saja, hanya satu komponen dari apa yang disebut jaringan listrik, nama untuk sistem kabel, sakelar dan perangkat lain yang menghasilkan, mengirim, dan mengontrol listrik dari tempat ia dihasilkan ke tempatnya akhirnya digunakan.

Langkah pertama dalam menciptakan tenaga listrik adalah membuat poros generator berputar. Pada 2018, paling sering ini dilakukan dengan menggunakan uap yang dilepaskan dalam pembakaran bahan bakar fosil, seperti batu bara, minyak atau gas alam. Pembangkit listrik tenaga nuklir dan generator energi "bersih" lainnya seperti pembangkit listrik tenaga air dan peternakan kincir angin juga dapat memanfaatkan atau menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan generator. Apapun masalahnya, listrik yang dihasilkan di pembangkit ini disebut listrik tiga fase. Ini karena generator AC ini menghasilkan listrik yang berosilasi antara minimum dan maksimum yang ditetapkan tingkat tegangan, dan masing-masing dari tiga fase diimbangi oleh 120 derajat dari yang di depan dan di belakangnya di waktu. (Bayangkan berjalan bolak-balik melintasi jalan sepanjang 12 meter sementara dua orang lainnya melakukan hal yang sama, menghasilkan 24 meter pulang pergi, kecuali salah satu dari dua orang lainnya selalu 8 meter di depan Anda dan yang lainnya 8 meter di belakang kamu. Kadang-kadang, dua dari Anda akan berjalan ke satu arah, sementara di lain waktu dua dari Anda akan berjalan ke arah lain, memvariasikan jumlah gerakan Anda, tetapi dengan cara yang dapat diprediksi. Ini adalah cara kerja daya AC tiga fase.)

Sebelum listrik meninggalkan pembangkit listrik, ia bertemu transformator untuk pertama kalinya. Ini adalah satu-satunya titik di mana transformator dalam jaringan listrik secara nyata meningkatkan tegangan daripada menguranginya. Langkah ini diperlukan karena listrik kemudian memasuki saluran transmisi besar dalam tiga set, satu untuk setiap fase daya, dan beberapa di antaranya mungkin harus menempuh jarak hingga 300 mil atau lebih.

Di beberapa titik listrik bertemu dengan gardu listrik, di mana trafo mengurangi tegangan menjadi tingkat yang cocok untuk saluran listrik yang lebih sederhana yang Anda lihat di lingkungan atau berjalan di sepanjang pedesaan jalan raya. Di sinilah fase distribusi (berlawanan dengan transmisi) pengiriman listrik terjadi, karena saluran biasanya meninggalkan daya gardu di sejumlah arah, seperti sejumlah arteri yang bercabang dari pembuluh darah utama di kurang lebih sama persimpangan jalan.

Dari gardu listrik, listrik masuk ke lingkungan dan meninggalkan saluran listrik lokal (yang biasanya di "tiang telepon") untuk memasuki tempat tinggal individu. Trafo yang lebih kecil (banyak di antaranya terlihat seperti tong sampah logam kecil) mengurangi tegangan hingga sekitar 240 volt sehingga dapat masuk ke rumah tanpa risiko besar menyebabkan kebakaran atau kecelakaan serius lainnya.

Transformer tidak hanya perlu melakukan pekerjaan memanipulasi tegangan, tetapi mereka juga harus tahan terhadap kerusakan, baik ini oleh tindakan alam seperti badai angin atau serangan rekayasa manusia yang disengaja. Hal ini tidak layak untuk menjaga jaringan listrik dari jangkauan unsur-unsur atau penjahat manusia, tetapi sama, jaringan listrik mutlak penting untuk kehidupan modern. Kombinasi kerentanan dan kebutuhan ini telah menyebabkan Departemen Keamanan Dalam Negeri AS untuk mengambil minat pada transformator terbesar di jaringan listrik Amerika, yang disebut transformator daya besar, atau LPT. Fungsi transformator besar ini, yang terletak di dalam pembangkit listrik dan dapat menimbang 100 hingga 400 ton dan menelan biaya jutaan dolar, sangat penting untuk pemeliharaan kehidupan sehari-hari, karena kegagalan satu pun dapat menyebabkan pemadaman listrik secara luas daerah. Ini adalah transformator yang menaikkan tegangan secara dramatis sebelum listrik memasuki kabel tegangan tinggi jarak jauh.

Pada 2012, usia rata-rata LPT di AS adalah sekitar 40 tahun. Beberapa transformator tegangan ekstra-tinggi (EHV) kelas atas saat ini diberi peringkat 345.000 volt, dan permintaan akan transformator meningkat baik di A.S. dan secara global, memaksa pemerintah A.S. untuk mencari cara untuk mengganti LPT yang ada sesuai kebutuhan dan mengembangkan yang baru dengan harga yang relatif rendah biaya.

Transformator pada dasarnya adalah magnet persegi besar dengan lubang di tengahnya. Listrik masuk di satu sisi melalui kabel yang dililitkan beberapa kali di sekitar transformator, dan keluar di sisi yang berlawanan melalui kabel yang dililitkan beberapa kali di sekitar transformator. Memasuki listrik menginduksi medan magnet di trafo, yang pada gilirannya menginduksi medan listrik di kabel lain, yang kemudian membawa daya dari trafo.

Pada tataran fisika, sebuah transformator bekerja dengan memanfaatkan hukum Faraday, yang menyatakan bahwa perbandingan tegangan dua kumparan sama dengan perbandingan jumlah lilitan pada masing-masing kumparan. Jadi jika tegangan yang dikurangi diperlukan pada transformator, kumparan kedua (keluar) mengandung lebih sedikit lilitan daripada kumparan primer (masuk).