Elektrik Makinaları Dersi 3. Ünite Özet

Transformatörler

Özet
Sorularla Öğrenelim

Giriş

Elektrik enerjisinin uzak bölgelere kolaylıkla ve en az kayıpla iletilebilmesi için gerilimin oldukça yüksek ve akımın oldukça düşük değerlerde olması gerekir.

Elektrik enerjisi santrallerinde üretilen elektrik enerjisinin gerilimi çok yüksek olmadığından, gerilim değeri yükseltilerek uzak bölgelere iletilir. Yüksek gerilimle iletilen elektrik enerjisinin kullanım yerlerinde ihtiyaç duyulan gerilim seviyesine tekrar düşürülmesi gerekir.

Transformatörler, elektrik enerjisini, bir gerilim seviyesinden başka bir gerilim seviyesine dönüştüren, hareketsiz elektrik makinalarıdır. Elektriksel endüksiyon prensibiyle ve yalnız değişken akımla (a.c.) çalışırlar.

Transformatörlerin bütün işlevi elektrik enerjisini aktarmak olduğundan, çıkış güçleri, giriş güçlerinden asla büyük olamaz. Bu nedenle, bir transformatöre sabit bir giriş gücü uygulandığında, transformatör çıkışında gerilim yükseliyorsa akım düşer, akım yükseliyorsa gerilim düşer.

Transformatörlerin kullanım alanları,

Elektrik enerjisinin uzak mesafelere iletilmesi,
Akım veya gerilim seviyelerinin kullanım veya ölçüm cihazlarına göre ayarlanması,
Elektriksel yalıtım.

Transformatörlerin kayıpları oldukça düşük, vermleri ise oldukça yüksektir. Kapasiteleri, volt-amper (VA) cinsinden ifade edilir.

Transformatörlerin Yapısı

Transformatörler, bir nüve üzerine sarılmış primer ve sekonder sargılarından oluşur. Primer, transformatörün giriş sargısıdır ve a.c. güç kaynağına (örn. şebekeye) bağlanır. Sekonder ise çıkış sargısıdır ve yüke bağlanır. (Oto transformatörler hariç) her iki sargı ve nüve arasında herhangi bir elektriksel bağlantı yoktur.

Nüve, yumuşak demir veya çelik türünden bir malzeme ya da hava olabilir. Nüvenin sargılar içinden geçen bölümlerine bacak, bacakları alttan ve üstten birleştiren bölümlerine ise boyunduruk denir.

Nüve Yapıları

Nüve, ince sacların, bir yüzü, kağıt, vernik, lak ve benzeri malzemeler ile yalıtıldıktan sonra sıkıca paketlenmesiyle imal edilir. Nüveler şekillerine göre, Çekirdek, Mantel Dağıtılmış ve Spiral tipte olabilir. Değişik uygulamalar için özel olarak tasarlanmış nüve tipleri de mevcuttur.

Sargılar

Sargılar yuvarlak veya dikdörtgen kesitli bakır veya alüminyum iletkenden, silindirik veya dilimli olarak sarılabilir. Sargıların birbirinden ve nüveden yalıtılır.

Sargı Polaritesi

Sargılarda endüklenen gerilimin anlık yönlerinin bulunmasına veya sargı uçlarının işaretlerinin belirtilmesine polarite denir. Transformatörlerin paralel bağlanması veya sargıların kendi aralarında bağlanmasında hangi ucun hangi uca bağlanacağı sargı polaritesine göre belirlenir.

Transformatörlerin Çalışma Prensibi

Primer sargısından geçen akım, alternatif bir manyetik akı oluşturur. Bu akı nüve üzerinden geçerek sekonder sargılarını da kestiğinden, burada Lenz Kanunu’na göre, bir gerilim endüklenmesine neden olur olur. Primer sargıda endüklenen gerilimin sekonder sargıda endüklenen gerilime oranına transformatörün dönüştürme oranı denir ve “?” katsayısı ile gösterilir.

$a= \frac{V_{1}}{V^{_{2}}}= \frac{N_{1}}{N_{2}}= \frac{l_{1}}{l_{2}}$

Transformatörlerde Kaçak Akılar

Primer ve sekonder tarafından oluşturulan manyetik akıların küçük bir kısmı devresini nüve dışından (hava üzerinden) tamamlar. Devresini nüve dışından tamamlayan akılara kaçak akılar denir. Primer kaçak akıları hem yüklü hem de boşta çalışma sırasında ortaya çıkarken, sekonder kaçak akıları yalnız yüklü çalışmada ortaya çıkar. Kaçak akılar transformatör veriminin düşmesine neden olur.

Sekonder üzerinden geçen akım tarafından oluşturulan manyetik akı, ortak manyetik akıya ters yöndedir. Bu nedenle, sekonderden çekilen akım arttıkça ortak manyetik akı azalır. Primer bu azalmayı karşılamak için daha fazla akım çekmeye başlar. Bu akımın transformatöre zarar vermemesi için anma değerini aşmamalıdır.

Transformatörlerin Eşdeğer Devresi

Transformatörlerin devre analizlerinde gerçek modelinin yerine eşdeğer devreleri kullanılır (Şekil 3.9). Eşdeğer devrenin transformatörün bakır kayıpları, nüve kayıpları (girdap akım kayıpları ve histeresiz kayıpları) ve kaçak akı kayıpları gibi tüm özelliklerini taşıması gerekir.

Primer sargı kaçak akısı (? ₁₁ ) X ₁ , sekonder sargı kaçak akısı (? _l2 ) ise X ₂ reaktansı ile ifade edilir.
Primer sargısı kaçak akılarından kaynaklanan gerilim düşümü I ₁ .X ₁ , sekonder sargıda meydana gelen kaçak akısından kaynaklanan gerilim düşümü ise I ₂ .X ₂ ile ifade edilir.
Eşdeğer devredeki R ₁ ve R ₂ dirençleri primer ve sekondere sargılarının dirençleri, “?” katsayısı ise transformatörün dönüştürme oranıdır.

Transformatörün sekonder tarafına boştayken primer tarafı bir gerilim kaynağına bağlandığında çekilen akımın bir kısmı transformatörde meydana gelen nüve kayıplarını karşılar. Geri kalan kısmı ise nüvenin uyartılmasını (mıknatıslanmasını) sağlar.

Nüve kayıpları, I ² .R şeklindeki kayıplar olduğundan, eşdeğer devrede primere paralel bağlı R _c direnciyle gösterilir. Transformatörün uyartım akımı, uygulanan gerilimden 90 ^o geride olduğundan, uygulanan gerilime paralel bağlı X _m reaktansı ile gösterilir. Eşdeğer devrede birbirine paralel olarak bağlı olarak gösterilen R _c direnci ile X _m reaktansına transformatörün uyartım devresi de denir.

Transformatör boşta (yüksüz) çalışırken, sekonder sargı üzerinden herhangi bir akım dolaşmadığından, bu sargı tarafındaki gerilimde herhangi bir düşüş olmaz (Şekil 3.10), yük altında çalışırken ise I ₂ .(R ₂ +X ₂ ) kadar bir düşüş meydana gelir (Şekil 3.11).

Bazı uygulamalarda transformatör eşdeğer devresi, primer veya sekonder tarafına indirgenir. Sekonder tarafından primer tarafına dönüştürme yapılırken,

primer tarafına ait R ₁ , X ₁ , R _c , ve X _m değerleri aynı kalır.
sekonder tarafındaki dirençler ve reaktanslar “? ² ” ile çarpılır,
sekonder akımı primer tarafına dönüştürülürken “?”’ya bölünür,
sekoner gerilimi ise “?” ile çarpılır (Şekil 3.12)

Primer tarafından sekonder tarafına dönüştürme yapılırken,

sekonder tarafa ait R ₂ ve X ₂ değerleri aynı kalır
primer tarafına ait direnç ve reaktanslar “? ² ” ye bölünür,
primer gerilim “?”’ya bölünür,
primer akımı ise “?” ile çarpılır.

Gerçek bir transformatörün eşdeğer devre parametreleri boş çalışma ve kısa devre deneyleri yardımıyla bulunur.

Boş (Yüksüz) Çalışma Deneyi

Boş çalışma deneyi, R _c ve X _m ’i hesaplamak için yapılır.

Sekonder sargısı açık-devre yapıldıktan sonra, primer sargı, Şekil 3.13’teki gibi bir ampermetre, voltmetre ve wattmetre ile birlikte kaynağa bağlanır.
Primer gerilimi (V _b ), akımı (I _b ) ve gücü (P _b ) ölçülür.
$\left | Y_{E} \right |= \frac{I_{b}}{V_{b}}ve\, cos\theta = \frac{P_{b}}{V_{b.I_{b}}}$ şeklinde hesaplanır.
$R_{c}= \frac{1}{\left | Y_{E} \right |.cos\theta }\, ve\, X_{m}= \frac{1}{\left | Y_{E} \right |.sin\theta }$ şeklinde hesaplanır.

Kısa Devre Deneyi

Kısa devre deneyi, transformatörün seri eşdeğer devre empedansını (ZSE) hesaplamak için yapılır. Bunun için primer tarafına indirgenmiş eşdeğer devreden yararlanılır (bkz. Şekil 3.12).

Primer tarafı, boş çalışma deneyinde olduğu gibi bağlanırken, sekonder tarafı bir ampermetre üzerinden kısa devre edilir (Şekil 3.14).
Primere uygulanan gerilim, sıfırdan başlanarak, sekonder sargıdan geçen akım anma akımına çok yaklaşıncaya kadar yavaş yavaş artırılır.
Primer son gerilim (V _k ), akım (I _k ) ve güç (P _k ) değerleri kaydedilir.
$\left | Z_{SE} \right |= \frac{V_{k}}{I_{k}}\, ve\, \theta = cos^{-1}(\frac{P_{k}}{V_{k.I_{k}}})$ hesaplanır.
$Z_{SE}= \left | Z_{SE} \right |\angle \theta ^{\circ}$ şeklindedir.

Transformatörlerin Kayıpları

Transformatörlerde meydana gelene kayıplar, demir (nüve) kayıpları, bakır kayıpları ve kaçak akı kayıpları şeklinde üçe başlık altında incelenir.

Demir kayıpları girdap akımı kayıpları ve histeresiz kayıpları olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Transformatörün nüvesi üzerinde devresini tamamlayan manyetik akı, nüve üzerinde girdap akımlarının oluşmasına sebep olur. Girdap akımları, nüvenin ısınması için harcandığından, sekondere aktarılan elektrik enerjisinde kayıplara neden olur. Bu kayıplar girdap kayıpları veya “fuko” (Foucolt) kayıpları şeklinde adlandırılır. Girdap kayıplarını azaltmak için nüve, bir tarafı yalıtılmış ince saclardan yapılır.

Demir nüveyi oluşturan atomlar, içinde bulundukları manyetik akıyla aynı yönde dizilirler. Manyetik alanın yönü sürekli olarak değiştiğinde atomların dizilişi de aynı şekilde yön değiştirir. Bu yön değişimleri, atomların birbiriyle sürtünmelerine ısınmalarına neden olur. Meydana gelen bu ısı kaybına transformatörün histeresiz kaybı denir.

Demir kayıpları, frekansa bağlı olarak değişirler ve çalışma geriliminden bağımsızdırlar. Toplam demir kayıpları yaklaşık olarak transformatörün yüksüz çalışmada şebekeden çektiği güce eşit olarak kabul edilir.

Bakır kayıpları, transformatörün sargı dirençlerinden (I ² R) şeklinde meydana gelen ısıl kayıplardır. Bakır kayıpları, transformatörün kısa devre deneyinden elde edilen eşdeğer devre direnç değerleri kullanılarak hesaplanır. Primer ve sekonder sargıların dirençleri bir ohm-metre ile de ölçülebilir. Ancak ohm-metre ile ölçülen direnç değerleri sargıların doğru akım dirençleri olup, alternatif akımdaki dirençlerinden biraz daha düşüktür.

Kaçak akı kayıpları, hem primer hem de sekonder sargıda meydana gelen kaçak akıların sebep olduğu kayıplardır. Primer manyetik akısının bir kısmı devresini havadan tamamladığı için sekonder sargıya güç transferi azalır. Kaçak akı kaybı, diğer kayıplarla göre çok küçük olduğundan, pratik hesaplamalarda, genelde, ihmal edilir.

Transformatörlerin Verimi

Transformatörlerde verim,

şeklinde hesaplanır. Verilen veya giriş gücü transformatörün şebekeden çektiği güç, alınan veya çıkış gücü ise transformatöre bağlanan yükün gücüdür.

Düşük yüklerde transformatör üzerinden geçen akım büyük olduğundan, bakır kayıpları da büyük olur. Dolayısıyla, transformatörlerin verimi düşük yükte düşük, tam yük değerinde ise en yüksektir.

Transformatörlerde verim, transformatör girişine ve çıkışına bağlanan birer wattmetre ile giriş ve çıkış gücü doğrudan ölçülerek veya boş-çalışma ve kısa devre deneyleri ile kayıplar bulunarak hesaplanabilir.

Gerilim Regülâsyonu (VR)

Gerilim regülasyonu, yüzde olarak,

$^{0}/_{0}VR= \frac{V_{20}-V_{2}}{V_{2}}.100$

şeklinde hesaplanır. Burada, V ²⁰ transformatörün boştaki çıkış gerilimi, V ² ise yük altındaki çıkış gerilimidir. Küçük regülasyon değerleri, çıkış gerilimi yük artışı ile çok az azaldığından tercih edilir.

Transformatörün çıkışına bağlanan yük, rezistif veya endüktif özellikte ise regülâsyon pozitif, kapasitif ise regülâsyon negatif çıkar. Pozitif regülasyon değerlerinde yük akımı arttıkça çıkış gerilimi düşer, negatif regülasyon değerlerinde ise yük akımı arttıkça çıkış gerilimi de artar.

Regülâsyon, eşdeğer devreden yararlanarak hesaplama yoluyla veya sekonder tarafın boştaki ve yükteki gerilimleri ölçülerek bulunabilir.

Transformatörlerin çıkış gerilimlerini sabit turmak için gerilim ayarı mekanizmaları kullanılır. Bu amaçla sargılardan birçok uç çıkartılır. Uçları çıkarılan bu sargılara gerilim ayar bobinleri denir. İhtiyaca göre gerilim azaltmak veya yükseltmek için gerektiği kadar ayar sargıları devreye alınır veya devreden çıkarılır.

Üç Fazlı Transformatörler

Üç fazlı transformatörlerin çalışma prensibi bir fazlı transformatörlerle aynıdır. Üç fazlı transformatörler, üç adet aynı özelliklere sahip bir fazlı transformatörün primer sargılarının kendi aralarında ve sekonder sargılarının da kendi aralarında yıldız (Y) veya üçgen (?) bağlanmasıyla; veya ortak bir manyetik nüve üzerine üç adet faza ait primer ve sekonder sargıları yerleştirilerek imal edilir.

Üç fazlı transformatörlerde üç çeşit bağlantı kullanılır. Yıldız (Y), üçgen (?) ve zik-zak (Z) bağlantı (Şekil 3.18). Yıldız ve üçgen bağlantı üç fazlı transformatörlerin hem primer tarafında hem de sekonder tarafında kullanılmasına rağmen zik-zak bağlantı sadece sekonder tarafında kullanılır. Yıldız bağlantıda hat gerilimi, faz geriliminin $\sqrt{3}$ katı, üçgen bağlantıda ise hat akımı, faz akımının $\sqrt{3}$ katıdır. Yıldız bağlantıda hat ve faz akımları, üçgen bağlantıda ise hat ve faz gerilimleri eşittir.

Primer sargıları ile sekonder sargıları arasında yaygın olarak dört bağlantı çeşidi kullanılır: Y-?, ?–Y, ?–?, ve Y-Y (Şekil 3.19). Fazlar arasındaki yük dağılımının dengesiz olduğu durumlarda sekonder sargıda zik-zak bağlantı da kullanılır.

Y - ? Bağlantı (Şekil 3.19.(a) ve (b)): Genelde yüksek gerilimleri düşürmek için kullanılır. Primer tarafındaki nötr noktasının topraklanması gerekir.

? - Y Bağlantı (Şekil 3.19 (c)): Genelde gerilim yükseltmek için kullanılır.

? - ? Bağlantı (Şekil 3.19 (d)): Açık-üçgen veya V bağlantısı da denir. Normal yüklerinin %58’inden fazla yüklenmemelidirler. Faz sargılarından birinin arızalanması durumunda iki faz ile çalışmasına devam edebilir.

Y - Y Bağlantı (Şekil 3.19 (e)): Pratikte çok nadir olarak kullanılır. Dengesiz yüklenme durumunda fazlar üzerindeki gerilim düşümleri de dengesiz hale gelebilir.

Zik-Zak (Z) Bağlantı (Şekil 3.18): Sadece sekonder sargısında gerçekleştirilir. Dengesiz yüklerin bulunduğu durumlarda transformatörün dengeli olarak yüklenmesi amacıyla tercih edilir. Her fazın sekonder sargısının eşit gerilimli iki sargısı bulunmalıdır. Sargı polaritesine dikkat edilerek, her fazın bir sargısı öteki fazlardan birinin başka sargısı ile seri bağlanır.

Transformatörlerde Bağlantı Grupları

Primer sargı ile sekonder sargıda aynı faza ait gerilimler arasında bir faz farkı (faz açısı) meydana gelir. Bu açıya grup açısı da denir. Bu faz farkı, sargıların polaritelerine ve bağlantı şekillerine göre değişir.

Güç transformatörlerinde kullanılan bağlantı şekilleri, “y”, “d” ve “z” harflerinden bir büyük bir de küçük harf ve bir rakamla belirtilir. Büyük harfler primer, küçük harfler sekonder bağlantı şeklini, rakam ise grup açısının 30o ’ye bölünmesiyle elde edilen sayıyı gösterir. “D” veya “d” üçgen bağlantıyı, “Y” veya “y” yıldız bağlantıyı, “z” ise zik-zak bağlantıyı ifade etmek üzere, toplam 12 çeşit bağlantı grubu bulunmaktadır: Dd0, Yy0, Dz0, Dy5, Yd5, Yz5, Dd6, Yy6, Dz6, Dy11, Yd11, Yz11.

Oto Transformatörleri

Oto transformatörleri, normal transformatörlerle aynı prensibe göre çalışmakla birlikte, primer ve sekonder sargıları ortak bir sargıdan oluşmaktadır (Şekil 3.20). Ototransformatörler, gerilimi düşürmek veya yükseltmek için kullanılabilir. Primer ve sekonder sargı aynı olduğundan, daha az sargı iletkeni ve daha küçük nüveleri kullanılır. Bu nedenle aynı güç değeri için maliyetleri normal transformatörlere göre daha düşüktür.

Primer sargı uçları sabittir. Ancak sekonder sargının bir ucu sabit diğer ucu sargı üzerinden hareket ederek sekonder gerilimini değiştirir. Oto transformatörleri bir fazlı olduğu gibi üç fazlı olarak da çalıştırılabilirler. Oto transformatörlerinde dönüştürme oranı normal transformatörlerin dönüştürme oranına benzer şekilde yazılabilir.

Ölçüm Transformatörleri

Yüksek değerli akım ve gerilimleri doğrudan ölçü aletleriyle ölçmek hem zor hem de emniyet açısından tehlikelidir. Bu nedenle yüksek gerilim ve büyük akımların ölçülmesi için ölçü transformatörleri kullanılır. Ölçüm transformatörleri ölçülecek olan büyük akım ve yüksek gerilimleri ölçüm aletleriyle emniyetli bir şekilde ölçülebilecek seviyeye indirirler. Ölçü transformatörlerinin primer devresine ölçülecek yüksek gerilim veya büyük akım devresine bağlanır. Sekonder devrelerine ise ölçüm aletleri, çeşitli röleler veya kontrol devreleri bağlanır.

Akım Transformatörleri

Akım transformatörlerinde primer sargısı, kalın kesitli iletkenden ve düşük sayıda sarılır. Sekonder sargısı ise ince kesitli iletkenlerden çok sayıda sarılır. Bazı akım transformatörlerinin primer sargısı sadece akımı ölçülecek iletkenden oluşur.

Akım transformatörlerinin sekonder devrelerine bağlanan ölçü aletlerinin iç dirençleri çok küçük olduğundan transformatör kısa devre durumunda çalışır. Dolayısıyla sekonder sargıları boş (yüksüz) bırakılmamalıdır.

Sekonder sargısı yüksüz bırakıldığında, sekonder sargıda, sarım sayısıyla orantılı olarak, çok yüksek gerilimler endüklenir. Bu gerilimler, hem trafolarla çalışan insanlara hem de sargıların izolasyonuna zarar verebilir. Ayrıca manyetik nüve üzerinde yüksek akıların dolaşması nüvenin kayıplarını, artırarak aşırı ısınmalara neden olur. Bundan dolayı akım transformatörlerinin primer sargısından akım geçerken kesinlikle bağlantı değişikliği yapılmamalıdır. Eğer bağlantılarda değişiklik yapılacaksa, sekonder sargının mutlaka kısa devre edilmesi gerekir.

Gerilim Transformatörleri

Gerilim transformatörleri, yapısal olarak iki sargılı düşürücü transformatörler gibi çalışır. Primer tarafı ölçülmek istenen yüksek gerilime, sekonder tarafı da ölçü aletine (voltmetre, röleler, kontrol devreleri ve benzeri) bağlanır. Gerilim transformatörlerin anma güçleri çok küçüktür. Gerilim transformatörleri, sadece sekonder sargıya bağlanacak ölçü aletiyle yüklenir. Primer sargısı, yüksek gerilime bağlı olduğundan, mutlaka kısa devrelere karşı korunmalıdır. Sekonder sargının açık kalması, tehlike oluşturacak yüksek gerilimlere sebep olmaz.

Transformatörlerin Paralel Çalıştırılması

Paralel bağlamada transformatörlerin yükleri uygun bir şekilde paylaşması çok önemlidir. Yük dağılımı, kısa devre gerilimiyle orantılıdır.

Transformatörlerin paralel bağlanabilme şartları:

Boştaki primer ve sekonder gerilimleri birbirine eşit olmalıdır.
Güçleri birbirine eşit veya güçleri arasındaki oran 1/3 ‘ten küçük olmamalıdır.
Anma yüklerindeki kısa devre gerilimleri birbirine eşit olmalı veya kısa devre gerilimleri arasındaki fark %10’dan fazla olmamalıdır.
Sargı polariteleri birbiriyle uyumlu olmalı, aynı polaritedeki uçlar birbirine bağlanmalıdır.
Transformatörler üç fazlı ise bağlantı grupları aynı olmalıdır.

Transformatörlerin Soğutulması

Transformatörler yük altında çalıştıkları zaman demir ve bakır kayıplarından dolayı ısınırlar. Meydana gelen ısının belli bir değerin altında tutulması için artan ısının etkin bir şekilde transformatörden uzaklaştırılması gerekir.

Soğutma için havalı, sulu ve yağlı sistemler kullanılır ve soğutma yöntemi, sembollerle belirtilir. Her sembol dört harften meydana gelir (örn. ONAN, ONAF).

Birinci harf, sargıların bulunduğu iç soğutma ortamını belirtir:

O: Yanma noktası ? 300o C olan mineral veya sentetik sıvı yalıtkan.

K: Yanma noktası > 300o C olan sıvı yalıtkan.

L: Yanma noktası ölçülemeyen (yanıcı olmayan) sıvı.

İkinci harf, iç ortamda soğutucunun dolaşım türünü ifade eder:

N: Soğutma donanımı içinden ve sargılardan doğal termosifon akış.

F: Soğutma donanımı içinden zorlamalı dolaşım ve sargılardan termosifon akış.

D: Soğutma donanımı arasından zorlamalı dolaşım, soğutma donanımı sisteminden en azından ana sargılar içine yönlendirme

Üçüncü harf, dış soğutma ortamını ifade eder:

A: Hava soğutma

W: Su soğutma

Dördüncü harf ise dış soğutma ortamı için dolaşım türünü ifade eder:

N: Doğal konveksiyon

F: Zorlamalı dolaşım (vantilatör, pompa ve benzeri)