TRANSFORMATÖRLERİN GENEL YAPISI
ÖNEMİ:
Elektrik enerjisinin en önemli özelliklerinden biride üretildiği yerden çok uzaklara taşınabilmesidir.Bu taşınmanın verimli bir şekilde yapılabilmesi için gerilimin yeteri kadar yüksek olması gerekir.
Santrallerde generatörler yardımı ile üretilen elektrik enerjisinin gerilimi çok yüksek değildir.Generatör çıkış gerilimleri 0,4-3,3-6,3-10,6-13,0-14,7-15,8 ve 35 Kilovolt (kV) değerlerindedir.Bu gerilimler enerjinin çok uzak bölgelere taşınabilmesini sağlayacak kadar yüksek olmadığından Gerilimi yükseltilmesi ancak transformatör ile gerçekleştirilir.
Transformatörler, gerilimi alçaltma ve yükseltme şekline göre iki çeşittir:
Alçaltıcı Transformatörler: Primer sargısına uygulanan gerilimi sekonder sargısından daha alçak bir şekilde aldığımızda bu tip transformatörlere alçaltıcı tip transformatörler denir.
Yükseltici Transformatörler: Primer sargısına uygulanan gerilimi sekonder sargısından daha yüksek bir şekilde aldığımızda bu tip transformatörlere yükseltici tip transformatörler denir.
SINIFLANDIRILMASI:
Transformatörler çeşitli özellikleri dikkate sınıflandırılır:
1-Manyetik nüvenin yapılışı şekilnde:
a-Çekirdek tipi
b-Mantel tipi
c-Dağıtılmış nüve tipi
2-Faz sayısımna göre
a-Primer ve sekonder akımı aynı sayıda faza sahip olanlar
b-;Primer ve sekonder farklı sayıda faza sahip olanlar
3-Soğutma şekline göre
a-Kuru transformatörler
b-Yağlı transformatörler
4-Kuruluş yerlerine göre
a-İç tipi
b-Açık hava tipi
5-Sargı tiplerine göre
a-Silindirik sargı
b-Dilimli sargı
6-Çalışma prensibine göre
a-Sabit akımlı
b-Sabit gerilimli
7-Sargı durumlarına göre
a-Yalıtılmış sargılı
b-Oto transformatörler
8-Soğutucu cinsine göre
a-Hava ile soğutma
b-Yağ ile soğutma
c-Su ile soğutm
9-Kullanış amaçlarına göre
a-Güç transformatörleri
b-Ölçü transformatörleri
c-Çeşitli aygıt ve makinalarda kullanılan transformatörler
YAPILARI:
Transformatörler ince,özel silisli saçalardan oluşan kapalı bir manyetik gövde ile bunun üzerine,yalıtılmış iletkenlerle sarılan sargılardan oluşur.En basit şekilde iki sargı bulunur.Bu sargılardan birine PRİMER veya birinci devre diğerine ise SEKONDER veya ikinci devre adı verilir. Primer ve sekonder sargılarının birbirlerine elektriksel bir bağlantısı yoktur.
ÇALIŞMA PRENSİBİ:
Transformatörün primer sargısına alternatif bir gerilim uygulandığında,bu sargı değişken bir manyetik alan oluşturur.Bu alan,üzerinde sekonder sargısınında bulunduğu manyetik demir nüve üzerinde devresini tamamlar.Primere uygulana alternatif gerilimin zamana bağlı olarak her an yön ve şiddeti değiştiğinden oluşturduğu manyetik alanında her an yönü ve şiddeti değişir.Bu alanın sekonder sargılarını kesmesi ile sargılarda alternatif bir gerilim endüklenir.
Transformatörlerin primer sargılarına doğru gerilim uygulandığında gene bir manyetik alan meydana gelir.Ancak bu manyetik alan,sabit bir alandır.Bu alanın yönü ve şiddeti değişmeyeceğinden sekonder sargılarında bir (elektro motor kuvveti) emk indüklemesi söz konusu olmaz.
TRANSFORMATÖR SARGILARI
Transformatör primer ve sekonder sargıları sarılışlarına göre ikiye ayrılırlar:
1-Silindirik şekildeki sargılar
2-Dilimli sargılardır.
Transformatör nüvesi hangi tipte olursa olsun sargı şekli bu iki sargı şeklinden birisidir.Hangi sargı tipinin uygun olacağı transformatörlerin tipine,gerilimine,akım şiddetine,yalıtma ve soğutma durumlarına göre değişir.Sargıların sipir sayıları,iletken kesitleri ve yalıtkanları belirlendikten sonra,sargıların nüveden yalıtılmaları belirlendikten sonra,sargıların nüveden yalıtılmaları için ya makaralar veya başka yalıtma yöntemleri kullanılır.
SİLİNDİRİK SARGILAR:
Silindirik sargılar nüve üzerine makara şeklinde sarılan sargılardır.Küçük güçlü transformatörlerde alçak gerilim ve yüksek gerilim için hazırlanan makara şeklindeki sargılar,alçak gerilim sargısı altta olacak şekilde yerleştirilir.
DİLİMLİ SARGILAR:
Büyük akımlı transformatörlerde silindirik sargılar kullanılarak akıımın dinamik etkileri ve soğutma zorlukları bakımından sakıncalıdır.Dilimli sargı tipinde
Primer ve sekonder sargıları bölümlere ayrılarak sarılır.Her bir sargı dilimi,alt ve üst sargı dilimlerinden yalıtılır.Bu sargı dilimleri bir primer sargı dilimi bir sekonder sargı dilimini izleyecek şekilde sıralanır.Yalıtkanlığı sağlamak bakımından alçak gerilim sargısı bir dilimi ikiye ayrılıp bacanın en alt ve en üst kısmına yerleştirilir.
SARGILARIN YALITILMASI:
Transformatörlerin primer ve sekonder sargılar değişik gerilimlerdir.Bu sargılar birbirlerinden yalıtıldıkları gibi,nüveye karşıda yalıtılırlar.Sargılar yalıtılmış iletkenlerden sarılmış olsa da sarım katları arasına ayrıca yalıtkanlar koyularak yalıtılırlar.Yalıtkan olarak presbant,kağıt,mika,bazı plastik maddeler,çeşitli yağlar,pamuk reçine,ağaç takozlar ve pertinaks gibi bazı maddeler konularak yalıtılmaktadır.8Havanın delinme gerilimi 20 kV/cm. presbantın 30 kV/cm. yağların ise 100 kV/cm. ile 200 kV/cm, arasındadır.
Küçük güçlü transformatörlerde alçak gerilim sargısı ile nüve arasında presbanttan yapılan makaralar bulunur.Buna karşılık büyük güçlü transformatörlerde yalnız gövde presbantı kullanılmaktadır.Sarım katları arasında ve alçak alçak gerilim sargısında nüveden yalıtılmasında,presbant kullanılmasına karşılık,yüksek gerilim sargılarında havalandırma kanalları oluşturmak ve sargı silindirlerinin baş taraflarını nüveden yalıtmak için pertinaks levhalar kullanılır.
KÜÇÜK TAROFOLAR:
TRANSFORMATÖRLERİN DÖNÜŞTÜRME ORANLARI
Bir iletkende emk. indüklenebilmesi o iletkenin sabit bir manyetik alan içerisinde hareket ettirilmesi veya değişen bir manyetik alan içine bulundurulması gerekir.Bir transformatörün birinci devre sargılarına alternatif bir gerilim uygulandığında ikinci devre uçlarına bir yük bağlanmasa yani ikinci devre uçları açık olsa da,birinci devre sargılarında çok küçük bir boş çalışma akımı geçer.Geçen bu akımın oluşturduğu değişken (alternatif) akı,sekonder sargılarını keserek bu sargılar etrafında alternatif bir emk. endüklenir.
Transformatör boştaki akımın oluşturduğu manyetik akının sekonder sargılarını kestiği ve boştaki nüve kayıplarının sıfır olduğu var sayılırsa böyle bir transformatör ideal bir transformatördür.İdeal bir transformatörde sekonder sargısın kesen kuvvet çizgilerinin tamamı primer sargısında keser.Bu durumda transformatörün her iki sargısında da sipir başına aynı gerilim indüklenir.Primer ve sekonder sargılarda indüklenen bu gerilimler aynı Q akısı tarafından oluşturulduğundan aralarında bir faz farkı yoktur.
Transformatörün primerinde oluşan E1 emk. Lenz kanuna göre kendisini oluşturan U1 gerilimine ters yönde olup yaklaşık olarak eşit değerdedir.(Gerçekte E1 emk.U1 den %1 ila %2 oranında küçüktür.)
Transformatörün dönüştürme oranlarının ve diğer bilgileri şu şekilde bulabiliriz:
E1: Primerde indüklenen emk.
E2:Sekonderde indüklenen emk.
U1: Primer gerilimi
U2:Sekonder gerilimi
N1: Primer sipir sayısı
N2:Sekonder sipir sayısı
I1: Primer akımı
I2:Sekonder akımı
US:Sipir başına indüklenen gerilim
a,K önüştürme oranı
f:frekans
4.44:Sabit sayı
10(-8):İndüklenen E.M.K.’nin Volt cinsinden çıkması için kullanılan sabit sayıyı ifade eder.
Q:Manyetik akı
Bir fazlı transformatörde indüklenen e.m.k. değeri genel olarak şu formülle yazılır;
E=4,44 . f . Q . N . 10(-8)
Bu formülden yararlanarak primer ve sekonder için;
U1=4,4 . f . Q . N1 . 10(-8) ...Volt
U2=4,44 . f . Q . N2 . 10(-8) ...Volt bulunur.
Sipir başına indüklenen gerilim ise
Us=U1 / N1 veya Us=U2 / N2 (Volt/sipir)’dir.
K=U1 / U2=N1 / N2=I2 / I1 Bu orana dönüştürme oranı denir.
PROBLEMLER:
1-Dönüştürme oranı 10 olan bir transformatörün sekonder gerilimi 150 Volttur.bu transformatörün primer gerilimi hesaplayınız.
a=U1 / U2 =U1= a . U2 =U1 =10 . 150 =750 Volt
2-Bir fazlı transformatörün primer sargılarında N1 =500 sipir bulunmaktadır.Bu transformatörün primerine 220 V uygulandığında,sekonderde 110 V okunmaktadır.
a-Bu transformatörün dönüştürme oranını
b-2. devredeki sipir sayısını
c-Sipir başına indüklenen gerilimi hesaplayınız.
U1:220 V N1:500 US: ?
U2:110 V N2: ?
a- K=U1 / U2 olduğundan K=220/110 =2 bulunur.
b- U1 / U2 =N2 / N2 eşitliğinden 220/110 = 500 / N2
N2=500 . 110 / 220 = 250 sipir sekonder sargısıdır.
c-US=U1 / N1 =220 / 500=0,44 volt/sipir
3-Primer gerilimi U1220 volt,sekonder gerilimi ise U2=55 volt olan bir transformatörün primer sargılarından I1=4 Amper akım geçmektedir.Bu transformatörde sipir başına indüklenen gerilim US=0,5 volt olduğuna göre istenenleri bulunuz.
a-Sekonder akımı I2 yi,
b-Primer ve sekonder sipir sayılarını N1 ve N2 yi,
U1220 I1=4
U2=55 US=0,5
a- U1 / U2 =I2 / I1 I2=U1 . I1 /U2 =220 . 4 / 55 =16 Amper.
b- US = U1 / N1 N1=220 / 0,55 = 440 sipir primer sargısı
US= U2 / N2 N2=55 / 0,5 = 110 sipir primer sargısı
SARIM SAYILARININ BULUNMASI:
Transformatörde sipir sayıları gerilimlerle doğru orantılıdır.Bir transformatörün sipir sasyılarını bulabilmek için,dönüştürme oranından faydanıldığı gibi,indüklenen emk. formülündende faydanalınır.Bunun için çalışma gerilimi,frekans,nüve kesiti ve manyetik endüksiyonun bilinmesi gerekir.Bu değerler yardımıyla sipir sayıları bulunur.
TRANSFORMATÖRLERDE KAÇAK AKILAR
Bir transformatörün primerine alternatif bir gerilim uygulandığında,bu sargıdan geçen akımın oluşturduğu manyetik akının oluşturduğu manyetik akınını tamamı ikinci devre iletkenlerini kesmez.Akımın küçük bir kısmı devresini havadan tamamlar. Devresini havadan tamamlayan bu akıların tamamına KAÇAK AKILAR denir.Kaçak akı ne kadar çok olursa Faydalı akı o kadar azalır.bunun sonucunda ikinci devrede sipir başına indüklenen gerilim birinci devrede indüklenen gerilimden çok daha az olur.bunun sonucunda sekonderde emk. azalır.
Boş çalıma durumunda kaçak akı faydalı akının % 5’i kadardır.
Kaçak akıyı azaltıcı önlemler:
1-primer ve sekonder sargılarının uygun bir şekilde sarılmış olmaları
2-Nüve için kullanılan saçların manyetik gerginliğe ve havaya göre çok yüksek olması
3-Transformatör primer ve sekonder sargılarının üst üste ve aynı ayağa sarılması kaçak akıyı azaltır.
Primer ve sekonder sargılardan geçen akımların oluşturdukları kaçak akılar, faydalı akıyı azalttıklarından, primer ve sekonder iç gerilimlerinin düşmelerine neden olmaktadırlar.Bunun sonucunda sekonder çıkışında gerilim azalması görülür.kaçak akıların oluşturdukları gerilim düşümleri tam indüktif özellikte olup,akımdan 900 ileridedir.Kaçak akıları transformatör devresine seri bağlanmış reaktanslar şeklinde gösterebiliriz.Bu reaktansalar primer ve sekonder için ayrı ayrı gösterilir ve KAÇAK AKI REAKTANSI adını alırlar.
Bazı özel transformatörlerde kaçak akılar istenir.
Kaynak makinelerinde,kısa devre akımlarının azaltmada,paralel çalışmayı kolaylaştırmada ve ark fırınlarının güç devrelerinde kullanılan transformatörün kaçak rektansı büyük istenmektedir.
TRANSFORMATÖRLERDE REGÜLASYON
Bir transformatörde primer gerilimi anma akımı değerinde sabit tutulup,sekonderden anma yük akımı çekilirse sekonder geriliminin boştaki değerine göre değişme görülür.Sekonderin boş ve tam yüklü durumdaki gerilimleri arasındaki farka,transformatörün GERİLİM DEĞİŞMESİ veya GERİLİM REGÜLASYONU denir.Bu farkın tam yüklü durumdaki sekonder gerilimine oranına GERİLİM REGÜLASYONU YÜZDESİ denir.
TRANSFORMATÖRLERİN KAYIPLARI
KAYIPLAR:
Bütün elektrik makinelerinde olduğu gibi transformatörlerinde kayıpları vardır.Bu kayıplar ikiye ayrılırlar:
1-Demir Kayıpları
2-Bakır Kayıpları
Transformatörlerin döner parçaları olmadığından sürtünme ve rüzgar kayıpları gibi bir takım kayıpları yoktur.bu nedenle verimleri diğer elektrik makinalarına göre daha yüksektir.Demir kayıpları boş çalışma deneyi ile bakır kayıpları ise kısa devre deneyi ile bulunur.
DEMİR KAYIPLARI:
Transformatörde boş çalışmada oluşan kayıplara,DEMİR KAYIPLARI denir.Çok küçük olan boştaki akımın oluşturduğu bakır kayıpları dikkate alınmazsa boş çalışmada yalnız demir kayıpları söz konusu olur.demir kayıpların nüve veya çekirdek kayıplarıda denilmektedir.demir kayıpları HİSTERİSİZ ve FUKO (FUKOLT) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır.
a)Histerisiz Kayıpları:Nüve moleküllerinin frekansa bağlı olarak yön değiştirmesi sırasında birbirleri ile sürtünmeleri sonucu isi şeklinde ortaya çıkar.
b)Fuko Kayıpları:Nüve üzerine indüklenen akımların neden olduğu kayıplar ısı şeklinde ortaya çıkan kayıplardır.
BAKIR KAYIPLARI:
Bakır kayıplarını sargılar oluşturmaktadır.bakır kayıpları kısa devre deneyi ile bulunur.transformatörün sekonderine bir yük bağlandığı zaman hem primerden hem sekonderden bir akım geçer.Geçen akımlar primerde I12 . R1 ve sekonderde I22 . R2 şeklinde bakır kayıpları oluşur.
Bakır kayıpları 1000kVA’nin altındaki güçlerde transformatörün görünür gücünün % 3 ile % 4’ü kadardır.
TRANSFORMATÖRLERDE VERİM
Transformatörlerde verim,diğer elektrik makinalarında olduğu gibi,alınan gücün verilen güce oranı şeklinde bulur.Buna göre verim: Palınan / Pverilen =PA/PV’dir.
Kayıpları nedeni ile PA<PV dir.Transformatörde verilen güç primer gücü alınan güç ise sekonder gücüdür.Transformatörlerin güçleri büyüdükçe verimleri artar.Transformatörlerin verimleri yük ile değişirler.
Transformatörlerde verimi açıklayabiliriz:
a-Demir kaybı transformatörün anma yükünde,bakır kaybına eşit olursa, transformatörün verimi anma yükünde en büyük olur.
b-Demir kaybı anma yükünde bakır kaybından daha küçük ise transformatörün verimi, anma yükünün altındaki bir yükte en büyük değerindedir.
c-Demir kaybı anma yükünde bakır kaybından büyük ise, transformatörün verimi anma yükünün üzerinde bir yükte en büyük değerdedir.
VERİMİN BULUNMASI:
Transformatörlerde verim iki şekilde bulunur:
a-Direkt metotla verimin bulunması;
Bu metotla daha çok küçük güçlü transformatörlerde uygulanır.Sekonder yükü sıfırdan başlanarak tam yüke kadar yavaş yavaş arttırılır.Her yükte primer ve sekonderdeki wattmetreden okunan değerler alınarak n=P2 / P1 şeklinde verimi bulunuz.
b-Endirekt metotla verimin bulunması;
Endirekt metotla verimin bulunması büyük güçlü transformatörlerde uygulanır.Bunun için boş çalışma deneyi ile, transformatörün demir kayıpları;kısa devre deneyi ile bakır kayıpları bulunur.
Bundan sonrada n=PA / PA + Ptk şeklinde verim bulunur.
TRANSFORMATÖRLERDE POLARİTE VE PARALEL ÇALIŞMASI
Polaritenin Önemi:Transformatörlerin primer ve sekonder sargılarının her iki uçları,alternatif gerilim frekansına bağlı olarak zaman zaman işaretleri değişir.Bunu için transformatörlerin hangi uçlarının hangi işareti taşıdığı bilinmesi gerekir.Yani polaritenin bilinmesi çok önemlidir.
Sargıların polaritelerinin bilinmeleri,Transformatörlerin birbiri ile paralel bağlanmalarında büyük kolaylıklar sağlar.
Polaritenin Tanımı:Transformatör sargılarının indüklenen gerilimlerinin ani yönlerini veya sargı uçlarını işaretlenmesinin belirlenmesine POLARİTE denir.