Nasıl Çalışır? Çalışma Prensipler-3

Transformatörler Nasıl Çalışır?

Transformatörler, elektromanyetik indüksiyonla enerjiyi bir devreden diğer devreye geçirirler. Bu özelliği sayesinde giriş gerilimi düşürülür ya da yükseltilir.

Akım geçiren birinci bobinde bir manyetik alan oluşur. Oluşan manyetik alanın bir kısım alan çizgileri ikinci bobinin de içinden geçmektedir. Birinci bobinden geçen akımın azaltılıp çoğaltılması ile manyetik alan değişikliği olmakta ve bu manyetik alan değişikliği ikinci bobinde bir endüksiyon gerilimi üretmektedir.

Bir bobin içinden geçen manyetik alan çizgilerinin miktarı değişirse, o bobin içinde bir gerilim endüklenir.

Her iki bobin göbeğine bir demir çekirdek sokulup sınama tekrarlandığında, voltmetredeki ibre sapışlarının oldukça büyüdüğü görülür. Nitekim demir göbek ile manyetik alan kuvvetlendirilmiş ve alan değişimi büyütülmüştür.

Bu kez de aynı deney devredeki ayarlı direnç ile akım değişimleri daha seri yapılarak ve şalter açılıp, kapatılarak tekrar edildiğinde, ikinci bobinde endüklenen gerilimlerin oldukça büyüdüğü görülmüştür. Özellikle şalter ile devre açılıp kapamalarda ikinci bobinde büyük gerilimler endüklenmektedir.

Manyetik akı ne kadar çabuk değişirse, endüklenen gerilim o kadar büyük olur.

Manyetik değişken bir alanın etkilediği bir bobin içinde, değişkenliğin frekansında bir alternatif gerilim endüklenir.

Bu şekilde transformatör çalışma prensibi ortaya çıkar.

İdeal Transformatör Nedir?

Bir iletkende emk indüklenebilmesi için o iletkenin sabit bir manyetik alan içerisinde hareket ettirilmesi ve değişen bir manyetik alan içerisinde bulundurulması gerekir.

Transformatörde primer akımının oluşturduğu manyetik akının sekonder sargıları kestiği ve nüve kayıplarının olmadığı varsayılırsa bu tip transformatör ideal transformatör olarak tanımlanır. 

İdeal transformatörlerde sekonder sargıları kesen manyetik kuvvet çizgilerinin tamamı primer sargılarınıda keser. Bu durumda transformatörün her iki sargısının her bir sarımında aynı değerde gerilim indüklenir. Primer ve sekonder sargılarda indüklenen bu gerilimler aynı Φ akısı tarafından oluşturulduğundan aralarında faz farkı yoktur. Yani transformatörlerde primer ve sekonder gerilimleri aynı fazdadır.

Trafolar şu amaçlarla kullanılmaktadır:

• Gerilim veya akımı düşürmek ya da yükseltmek,
• Empedans uygunluğu sağlamak,
• Aynı güç hattına bağlı şaseleri ortak birden fazla devreyi ters bağlantı durumunda oluşabilecek kısa devrelerden korumak.

.Y

Transformatörlerin Tarihçesi

İndüksiyon kanunu 1831 yılında birbirinden habersiz olarak Michael Faraday ve Joseph Henry tarafından bulunmuştur. Bulgularını ilk yayınlayan Faraday olduğundan Faraday Kanunu olarak adlandırılır.

Elektro manyetik indüksiyon, hareket eden bir iletkende manyetik alan yoluyla indüksiyon elektrik üretimidir. Generatörler, elektrik motorları, transformatörler, indüksiyon motorları, senkron motorlar ve selenoidlerin çalışmalarına temel oluşturur.

Elli yıl kadar sonra çağdaş örneğinin gerekli tüm elemanlarına sahip, kullanışlı transformatörün ortaya çıkmasıyla da o zaman henüz yeni olan elektrikle aydınlatma endüstrisinde devrim olmuştur. Yüzyılın sonlarında değişken akımlı güç sistemleri tüm dünyada kullanılmaya başlamış ve transformatörler elektrik iletim ve dağıtımında anahtar rolünü üstlenmişlerdir.

Bugünün transformatörleri yüzyıl başındaki atalarına göre güç bakımından 500, gerilim bakımından 15 kat fazla kapasiteye sahiptir. Güç birimi başına ağırlık 10 kat azalmış ve verimlilik genellikle %99’u aşmıştır. Bu gelişmeler kuramsal çalışmaların ve mühendisliğin birleşmesiyle ortaya çıkmıştır.

Trafo Ekipmanları Nelerdir?

• Sargılar,
• Çekirdek,
• Yalıtım ve Destek Aksamı,
• Ana ve Genleşme Tankı,
• İzalatörler,
• Kademe Şalterler (Yük Altın Kademe Şalteri, Boşta İken Kademe Şalteri)
• Soğutma Ekipmanları (Radyatörler, Fan, Pompa)
• Koruma ve Yardımcı Ekipmanlar
• Bucholz Rölesi
• Sıcaklık Göstergeleri
• Basınç Emniyet Vanası
• Nem Alıcılar Kontrol Bobini

Transformatör Çeşitleri Nelerdir?

Transformatörler kullanma amaçlarına göre değişik tip ve şekillerde imal edilir. Ölçü trafoları, oto trafoları, tek fazlı (monofaze) trafolar ve üç fazlı (trifaze) güç trafoları olmak üzere çeşitli tipleri vardır.

Yaygın olarak transformatör çeşitleri şu şekilde sıralanır:

İletim Transformatörleri: Büyük güçlüdürler ve çok yüksek gerilimin uzaklara iletilmesinde gerilim yükseltici olarak kullanılırlar.

Ara İstasyon Transformatörleri: Gerilimin orta seviyelere düşürmek için kullanılırlar.

Dağıtım Transformatörleri: Orta gerilimin daha alt seviyelere düşürmek için kullanılırlar.

Güç Transformatörleri: Birçok farklı tip ve uygulamalarda elektronik devrelerde kullanılırlar.

Yalıtım (İzolasyon) Transformatörleri: Doğru akımın yalıtımı amacıyla kullanılır. Pimer ve sekonder arasında elektrik yalımını sağlamak amacıyla da kullanılır. Primere uygulanan gerilim hem doğru akım hem de alternatif akım bileşenlerini bulunduruyorsa sekonder gerilimi sadece alternatif akım bileşeninden oluşur.

Oto Transformatörleri: Primer ve sekonder sargıları elektriksel olarak birbirleriyle bağlantılı olan transformatörlere Oto Transformatörü adı verilir. Genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlı gerilim sağlamak için kullanılır.

Ölçü transformatörleri ( gerilim ve akım trafoları): Ölçü transformatörleri yüksek gerilim şebekelerinin en önemli parçalarından birisidir. Yüksek gerilim ve akım değerleri, ölçü transformatörlerinin sekonder sargılarında ölçü aletlerinin rahatlıkla ölçebileceği bir değere düşürülür. Ölçü transformatörleri; çalışanları yüksek gerilimden koruyan, ölçümlerin güven içinde yapılmasını sağlayan bir devre elemanıdır.

Ses Frekansı Transformatörleri: Ses frekansı (20 kHz’e kadar) yükseltici devresi çıkış veya girişinde veya yükselticiler arasında empedans işlemi için kullanılır.

Kontrol Transformatörleri: Düşük güç veya VA değerlerinde sabit gelirim veya akım gerekli devrelerde, elektrik sisteminde değişik noktalarda gerilimin genliği ve fazında istenen düzenlemeleri sağlamak için kullanılır.

Çalışma Gerilimlerine Transformatörler:

• Alçak gerilim: 0-1 kV
• Orta gerilim: 1-3-5-10-20-25-30 kV
• Yüksek gerilim: 45-60-110 kV
• Çok yüksek gerilim: 150-220-380-400 kV

Nüvelerine Göre Transformatörler:

a. Çekirdek Tipi

b. Mantel Tipi

c. Dağıtılmış Tip

d. Ferrit Nüve

Soğutma Türlerine Göre Transformatörler:

1)YAĞLI TİP TRAFOLAR

50-20000 kV arasında güçlerde 36 kV maksimum sistem gerilimine kadar imal edilmektedir. Standart tipler olan 3 fazlı yağlı doğal soğutmalı(onan) transformatörler dahili ve harici olarak kullanılabilmektedir.

ÖZELLİKLERİ:

Yağlı tip trafolar, hermetik ve genleşme depolu olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır.

• Her iki tipte de trafo sargıları tamamen yağın içindedir. Ancak hermetik tipte yağlı trafolar tipte olanlar atmosfere kapalıdır ve bakım gerektirmemektedir. Hermetik tipte yağlı trafolarda genleşme deposu bulunmamakta ve bulundurduğu kazan tümüyle yağ doludur. 
• Hermetik tip transformatörlere fabrika ortamında hermetik basınç ayarı yapılarak atmosfere kapatılmıştır. Yağın genleşmesi elastik ve dalgalı olan kazan yapısıyla kontrol altına alınmıştır. Dalga duvarlar hem ısıyı dışarıya iletme, hem de genişleyip büzülme hareketleriyle genleşen ilave yağıda absorbe etme görevi görürler.
• Transformatör yağı hava ile temas etmediği için ortamda oksijen yoktur. Dolayısıyla yağ oksitlenme maruz kalmamaktadır. Hava ile temas olmadığından transformatör yağı nemden etkilenmez. Bu nedenlerden ötürü hermetik tip trafolar genleşme depolulara kıyasla daha uzun ömürlü olmaktadır.
• Hermetik transformatörlerde genleşme deposu olmadığı için yükseklikleri genleşme depolulara göre azdır. Bu da daha küçük alanlarda montaj imkanı sağlamaktadır.
• Genleşme depolu yağlı trafoların periyodik bakımlarının yapılması gerekmektedir. Yağ atmosfer ile sürekli olarak etkileşim halinde bulunduğundan yağın bozulması ve yalıtanlık özelliğini yitirmesi gibi durum söz konusudur. Bu sebeple hermetik transformatörlere göre ömürleri daha kısadır.
• Genleşme depolu transformatörlerde belli aralıklar ile periyodik yağ değişimi ve aktif kısmın kurutulması işlemleri yapılması gerekmektedir.

KULLANIM ALANLARI

• Dağıtım Merkezleri
• 0G/AG Trafo Merkezleri
• Fabrikalar
• Şantiyeler
• Şehir içi dağıtım merkezleri(direk üstü veya trafo köşkü)
• Sulama projeleri
• Organize sanayi bölgeleri
• Elektrik santralleri…

SARGILAR

Alçak gerilim sargı iletkeni bakır veya aluminyumdur. Yüksek Gerilim sargı iletkeni bakır veya aluminyumdur. Sargılar emaye kaplı yuvarlak bakır veya aluminyum tel, izolasyon kağıdı kaplı yassı bakır veya aluminyum teldir. 

Güç Transformatörleri Sargıları:

• Alçak gerilim ve yüksek gerilim sargı iletkeni bakırdır.
• Sargılar transformatör gücüne bağlı olarak kat sargı, sürekli disk sargı, helisel sargı veya vida sargı olarak izolasyon kağıdı kaplı bakır tel kullanılarak sarılır.

NÜVE

Transformatör nüvesi, soğuk çekilmiş ve kristalleri yönlendirilmiş silisli sacdan imal edilmektedir.

Aktif Kısım:

Standart transformatörlerde kapak dahil aktif kısım kazana civatalar ile tutturulur; doğrudan kazana tutturulan aktif kısım uygulamaları da vardır; müşteri isteğine bağlı olarak bu uygulamada transformatörler de imal edilir.

Kapak üzerindeki tüm bağlantı elemanları ve YG bushing ark boynuzları paslanmaz veya korozyona karşı olabilecek özel kaplamalı malzemeden yapılır.

Kapak üstü düzenlenmesi; izolatörler, davlumbaz, aksesuarlar müşteri isteklerine ve şartnamesine göre oluşturulur.

KAZAN

Transformatör kazanları ve kapakları orta sertlikteki çelikten imal edilirler. Dağıtım Transformatörlerinde, kazan yüzeyleri aynı zamanda soğutucu görevini yerine getiren dalga duvar panellerinden oluşurlar. Tankın tava kısmı, duvarlar ve çerceve kaynatılarak birleştirilir.

İşçilikleri tamamlanan her kazan ve kapak kumlama işlemine tabii tutulur. Müşterinin kumlama ile ilgili özel isteği veya şartname değeri var ise bu sağlanır. İstenildiğinde kazanları sıcak daldırma galvaniz yöntemi ile kaplamak mümkündür.

BOYAMA

İmalatı tamamlanan kazanlar akıtma(floading) ve/veya sprey yöntemi ile boyanırlar.Standart boyama bir astar, iki kat son boyadan oluşur. Toplam film kalınlığı 105µ’dan az değildir.Standart transformatör rengi çimento grisi olarak adlandırılan RAL7033’dir.

Müşteri isteğine göre farklı yapılarda (çinko kaplama gibi) , farklı kalınlıklarda ve farklı renk kodlarında boya yapmak mümkün

KURUTMA VE YAĞ

Transformatör aktif kısmı(Nüve +Bobin) yüksek vakum altında çalışan kurutma fırınlarında kurutulurlar.Kurutma işlemi gerilim ve güce bağlı olarak oluşturulan bir program çerçevesinde gerçekleştirilir.

AKSESUARLAR

Transformatör üzerinde koruma ve kontrol amaçlı olarak müşteri isteğine ve şartnamesine bağlı olarak aşağıdaki aksesuarlar kullanılır ;

Yağ Seviye Göstergesi: Atmosfere açık genleşme depolu transformatörlerde,genleşme deposundaki yağın seviyesini takip ve kontrol etmek amacıyla manyetik olarak çalışan yağ seviye göstergeleri kullanılır.

Nem Alıcı: Atmosfere açık genleşme depolu transformatörlerde kullanılır, genleşme tankına monte edilir. İçerisindeki silica gel yardımı ile genleşme tankı içine giren havadaki nemi ve tozu alır, transformatörün işletme emniyetini arttırır.

Yağ Sıcaklık Göstergesi: Kapak üzerine veya kazan yan yüzeylerine kaynatılan termometre ceplerine yerleştirilen termometreler vasıtasıyla transformatör yağ üst sıcaklığını takip ve kontrol etmek mümkündür.

Buchholz, Gaz Toplama ve İhbar Rölesi:Transformatör içerisinde meydana gelen düşük ve yüksek yoğunluklu deşarj ve arkların oluşturduğu gazların toplandığı röledir.

Hermetik Koruma Rölesi: Bu röleler yağ seviye göstergesini, sıcaklık göstergesini, Buchholz rölesini ve ayrıca fazladan basınç rölesini ihtiva eden tek bir röledir.

Sargı Sıcaklığı Termometresi: Güç Transformatörlerinde kullanılır. Sargılarda meydana gelen sıcaklığı, sargılardan geçen akıma bağlı olarak akım sıcaklık ilişkisine göre verir.

Hava Kurutucu: genleşme deposu içindeki toz ve rutubeti tutar.

2)KURU TİP TRAFOLAR

Kuru tip trafolar hastane, okul, AVM gibi insanların yoğun yaşadığı alanlarda ve bina altlarında yaygın olarak kullanılır. Yağlı tipler ise hermetik ve genleşme depolu olarak ikiye ayrılır. Hermetik tip trafolar tamamen kapalıdır, yağ genleşme deposu yoktur Bu tip trafolarda yağın hava ile teması olmadığından bakım gerektirmez ancak yağ kaçağı vs olduğunda açılamaz, bakım ve kontrolü fabrikasında yapılır veya ilgili fabrikadan teknik personel çağırılır. Yağ genleşme depolu tipte ise yağın hava ile temas riski olduğundan düzenli periyodik bakım gerektirir ancak hermetik tip trafolara göre daha ucuzdurlar.

Kullanım Yerlerine Göre Transformatörler:

a. Besleme Transformatörü

b. İzolasyon Transformatörü

c. Muayyen Frekans Transformatörü

ç. Hat Transformatörü

d. Empedans Transformatörü

e. Oto Transformatörü

f. Darbe (Pulse) Transformatörü

Trafo Nasıl Çalışır?

Alternatif akım uygulanmış bir sargı, manyetik nüve üzerinde diğer sargıda gerilim indükleyen zamana göre değişen bir manyetik akı meydana getirir. Primer ve sekonder sargılar arasındaki sarımların sayısı arasındaki oranın değişimi, giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki oranı belirler. Böylece, gerilim devreler arasında kademeli şekilde aşağı ya da yukarı dönüştürülür.

Transformatörlerin primer devresi olan sargıya uygun değerde bir alternatif akım uygulandığını düşünelim. Primer sargıdan geçen akım demir nüve üzerinde yönü ve şiddeti değişen bir manyetik alan meydana getirir. Demir nüve üzerinde meydana gelen bu manyetik alan sekonder sargının sarıldığı bacak üzerinden devresini tamamlar. İndüksiyon prensibine göre değişken manyetik alan etkisinde bulunan bir iletken bobininin uçlarında değişken bir gerilim indüklenir. Bu duruma göre primer sargıya uygulanan gerilimin etkisiyle sekonder sargının sarılı bulunduğu bacak üzerindeki bu değişken manyetik alanın etkisiyle sekonder bobin üzerinde bir elektromotor kuvveti (E.M.K.) indüklenir. Bu yöntemle primer ve sekonder sargılar arasında hiçbir elektriksel bağlantı olmadığı halde sekonder sargı uçlarında indüksiyon yolu ile bir gerilim indüklenmiştir. Giriş ve çıkış devresinin aynı nüve üzerine sarıldığı oto trafolarında ise sargılar arasında elektriksel bağlantı bulunur.

Transformatörün primer sargısına alternatif bir gerilim uygulandığında bu sargı değişken bir manyetik alan oluşturur. Bu alan, üzerinde sekonder sargısının da bulunduğu manyetik demir nüve üzerinde devresini tamamlar. Primere uygulanan 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 indüklenir.

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.

Dönüştürme oranıyla gerilimi değiştirerek sabitlemek için sargılardan uçlar çıkartılır. Gerilimin ayar sınırına göre çıkan uçların sayısı hesaplanır. Dağıtım transformatörlerinde % 5 lik gerilim ayarı yeterli olur. Enerji nakil hatlarının uzun olduğu büyük güçlü yüksek gerilim transformatörlerinde ise % 20 kadar olabilir. Transformatörlerde dönüştürme oranını değiştirerek, gerilim ayarı ya kademeli olarak ya da sürekli olarak yapılır. Kademeli olarak gerilim ayarı boşta veya yük altında yapılabilir. Gerilimin ayarı özel olarak yapılmış bir kademe değiştirici şalterden faydalanılır.

Gerilim ayarının yük altında yapılırken enerjinin kesilmemesi için gerilim ayarı için çıkarılan ayar bobini uçlarının kısa devre olmamasına dikkat etmek gerekir. Yük altında gerilim ayarı yapabilmek için bir ayar sargısı (tersiyer sargı), paralel sargılar, koruyucu olarak reaktans bobini veya dirençler kullanılır.

Transformatör Kayıpları

Transformatörlerin döner parçaları olmadığından sürtünme ve rüzgar kayıpları gibi bir takım kayıpları yoktur. Bu nedenle verimleri diğer elektrik makinalarına göre daha yüksektir. Ancak bütün elektrik makinelerinde olduğu gibi transformatörlerin de kayıpları vardır. Bu kayıplar; demir kayıpları ve bakır kayıpları olmak üzere iki çeşittir.

Demir Kayıpları : Transformatörde boş çalışmada oluşan kayıplardır. Çok küçük olan boştaki akımın oluşturduğu bakır kayıpları dikkate alınmazsa, boş çalışmada yalnız demir kayıpları söz konusu olur. Demir kayıpların nüve veya çekirdek kayıpları da denilmektedir.

Demir kayıpları histerisiz ve fuko (fukolt) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır.

Histerisiz Kaybı : Demir gibi bazı ferromanyetik maddeler haricî manyetik alana maruz kaldıklarında geçici ya da kalıcı olarak manyetiklik sergilemeye başlar. Bu manyetiklik transformatör üzerinde var olan manyetik alana ters yöndedir ve ısı olarak enerji kaybına neden olur. Bu kayba histerisiz kaybı denir. Histerisiz kaybı, nüve moleküllerinin frekansa bağlı olarak yön değiştirmesi sırasında moleküllerin birbirleri ile sürtünmeleri sonucu ısı şeklinde ortaya çıkar.

Fuko (Fukolt) Kaybı : Bir nüve üzerine sarılmış bir bobinden değişken akım geçirildiğinde nüve üzerinde gerilim indüklenir. Bu gerilim nüvede kapalı çevrimler halinde çok sayıda akım yollarının oluşmasına neden olur. Bu olay yalnızca nüve yüzeyinde değil içinde de meydana gelir. Kapalı minik halkalar şeklinde oluşan bu akımlara fuko akımları (eddy akımları) denir. Her bir kapalı akım yolundaki akım şiddeti doğrudan indüklenen gerilim ile orantılıdır. Akım şiddeti bu akım yolunun elektriksel direnci ile ters orantılıdır.

Bakır Kayıpları : Bakır kaybı genellikle transformatör sargıları veya diğer elektrikli cihazların iletkenlerinde elektrik akımının ürettiği ısı için kullanılan bir terimdir. Transformatörlerdeki bakır kayıpları sargıda kullanılan iletkenin direnci ve iletkenden geçen akımın karesi ile doğru orantılıdır. Düşük frekanslı uygulamalarda kalın kesitli ve düşük dirençli iletkenler kullanılması ile bakır kaybı minimum seviyelere çekilebilir. Bakır kayıpları 1000 kVA’nın altındaki güçlerde transformatörün görünür gücünün %3 ile % 4’ü kadardır.

Kaynaklar

http://www.robotiksistem.com/transformator_nedir_transformator_yapisi.html

http://docplayer.biz.tr/111349593-Elektrik-dagitim-sistemi-elemanlari-1-guc-transformatorleri-ve-dagitim-transformatorleri.html

http://www.kuzeygucenerji.com/menu/411/trafolar.html

https://www.enerjiportali.com/transformator-trafo-nedir-trafo-cesitleri-nelerdir/

https://www.emo.org.tr/ekler/5d215777c229704_ek.pdf