Transformatör Nedir ?
Güncelleme 15/06/2020
Transformatörler gerilim ve akımı istenilen değerlere yükselten veya düşüren devre elemanlarıdır.
Transformatör Faraday yasasının doğrudan uygulanmasıdır.1831 yılında Faraday iki ayrı sargıyı bir demir nüve üzerine sararak oluşturduğu basit bir test düzeninde, sargılardan birine bağlanan doğru gerilimin kesilmesi anında diğer sargıda darbe geriliminin olduğunu tespit etmiştir. Bu olaydan sonra transformatör teknolojisi araştırılmaya başlanıyor.1884’de M:DERY ve K.ZIPERNOVSKY tarafından 1400 VA, 120/72 Volt, 40 Hz’lik ilk transformatör üretimini,1890’dada 3 fazlı transformatör üretimi gerçekleştiriliyor.
Transformatör Nedir? Ne İşe yarar?
Transformatör, iki veya daha fazla devre arasındaki elektrik enerjisi aktarımını elektromanyetik indüksiyonla sağlayan sistemdir. Trafolar doğru akım devrelerinde değil, alternatif devrelerinde kullanılır. Transformatörler frekans değeri değiştirmeden, gerilim ve akım değerlerinde istenen değişimi sağlar. Genellikle bir elektrik devresindeki akım ve gerilimi yükseltme ya da düşürmek için kullanılır. Transformatör gerilimi yükseltirken elektrik enerjisinin elde edildiği yerden uzağa aktarır. Bunun nedeni yüksek akımla iletme işleminde ciddi güç kayıplara yol açar. Güç kaybını önlemek için iletme işleminde gerilim yükseltir ve akımı düşürür.
Transformatör Çalışma Prensibi
Transformatörlerin elektrik enerjisini bir iletkenden diğerine, manyetik akım vasıtasıyla iletilmesidir. Transformatörler iki bobinden ve nüveden oluşur. Nüvedeki bobinlerden birinin üzerinde gerilim uygulandığı zaman, nüve üzerinde bir manyetik akım oluşur. Oluşan manyetik akımın yönü ve şiddeti sürekli değişir. Bu manyetik akım, çıkış bobini üzerinde gerilim indüklenmesine neden olur. İlk bobine uygulanan gerilimde bir manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan sayesinde bir diğer bobine enerji aktarımı sağlanır. Transformatördeki çıkış sarım sayısı, giriş sarım sayısından fazlaysa çıkış gerilimi giriş geriliminden daha yüksek olur.
Transformatörlerin Yapıları
Transformatörler ince, özel silisli saçalardan oluşan kapalıbir manyetik gövde ile bunun üzerine yalıtılmış iletkenlere sarılan sargılardan oluşur. En basit şekilde iki sargı bulunur. Bu sargılardan birine PRİMER (birinci devre) diğerine ise SEKONDER ( ikinci devre) adı verilir. Primer ve sekonder sargılarının birbirlerine elektriksel bir bağlantısı yoktur.
Transformatörlerin Sınıflandırılması
1. Çalışma prensibine göre
a. Sabit akımlı
b. Sabit gerilimli
2. Sargıdurumlarına göre
a. Yalıtılmışsargılı
b. Oto transformatörler
3. Soğutucu cinsine göre
a. Hava ile soğutma
b. Yağile soğutma
c. Su ile soğutma
4. Sargıtiplerine göre
a. Silindirik sargı
b. Dilimli sargı
5. Kullanışamaçlarına göre
a. Güç transformatörleri
b. Ölçü transformatörleri
c. Çeşitli aygıt ve makinelerde kullanılan transformatörler
6. Soğutma şekline göre
a. Kuru transformatörler
b. Yağlıt ransformatörler
Transformatör Çeşitlerine göre Kullanım Alanları
Transformatör çeşitleri; kullanım amacına, nüve tipine, çalışma ortamına, faz sayısına göre ayrılır.
1- Nüve Tipine Göre Transformatörler
Nüve tipine göre trafolar; Çekirdek tipi, mantel tipi ve dağıtılmış tip olmak üzere 3 guruba ayrılır.
A) Çekirdek Tipi: Çekirdek tipi nüveler sargıların yalıtımlarının daha kolay olması sebebiyle yüksek gerilime sahip transformatörlerde kullanılır. Çekirdek tipi nüveler tek gözlüdür. Manyetik nüve kesiti her noktada aynıdır. Trafolarda manyetik nüveyi oluşturan sac parçalarının yerleşimi önemlidir. Ek yerlerin üst üste gelmemesine özen gösterin.
B) Mantel Tip: Bu tip nüvelerde sargılar ortadaki bacağa sarılır. Ortadaki ayak kesiti yandaki ayak kesitlerinin iki katıdır. Çekirdek tipi nüvenin tersine, alçak gerilimli transformatörlerde kullanılır.
C) Dağıtılmış Tip: ‘+’ şeklinde bir görüntüye sahip olan dağıtılmış tip nüvelerde; sargılar orta ayağa sarılmıştır. Dağıtılmış tip nüveler dört ayak tarafından kuşatılmıştır. Bu tip nüvelerde kaçak akımlar en alt düzeyde çalışır.
2- Kullanım Amacına Göre Transformatörler
A) Oto Transformatör: Oto transformatörlerde tek bir sargı hem primer hem sekonder olarak ayarlanmıştır. Küçük boyutu ile yüksek verim elde edilir.
B) Yalıtım (İzolasyon) Transformatörleri: Bu tip transformatörler gerilim dönüşüm amaçlı değil iki devreyi yalıtmak için kullanılır.
C) Alçaltıcı Transformatörler: En yaygın Transformatörler tipidir. Sekonder sargının gerilimi, primerdeki gerilimden düşük olan transformatörlere alçaltıcı transformatörler denir. Cep telefonlarımızın şarj aletlerinde ve şarjlı süpürgelerde bu tip trafolar kullanılır.
D) Yükseltici Transformatörler: Sekonder sargının gerilimi primerdeki gerilimden yüksek ise, yani çıkıştaki gerilim sinyali giriştekinden daha yüksek ise bu tip transformatörlere yükseltici transformatörler denir. Televizyonlarda bu tip trafolar kullanılır.
E) Ölçü Transformatörleri: Akım ve gerilim seviyesinin yüksek olduğu yerlerde ölçüm yapılabilmek için kullanılır. Bu trafolar; sekonder sargılarında yüksek akımı ölçü aletlerinin ölçebileceği seviyeye düşürür. Böylece ölçümler kolay ve güvenli bir şekilde yapılır.
3- Çalışma Ortamına Göre
Transformatörler, elektrik enerjisinin bulunduğu her yerde kullanılır. Bu yüzden çalışma ortamına gire çok çeşitli Transformatörler üretilmiştir. Farklı boyutta üretilen Transformatörler çalışma ortamının hava şartlarına göre özel olarak tasarlanmıştır.
Platform tipi transformatörler, yer altı tipi transformatörler, su altı tipi transformatörler ve iç mekân tipi transformatörler olarak sınıflandırılır.
4- Faz Sayısına Göre
A) Tek Fazlı Transformatörler: Tek fazlı transformatörlerde bir tane primer sargısı bulunur. Trafoda bulunan sekonder sargısı birden fazla olabilir.
B) Çok Fazlı Transformatörler: Çok fazlı transformatörlerde birden fazla primer sargısı bulunur. Giriş sinyali iki veya daha fazladır.
Transformatörün Uçları: Şebeke veya elde bulunan enerji tarafına bağlanan sargılara primer, kullanılacak tarafın sargılarına da sekonder sargılar denir.
Primer sargılarda belli bir frekansla değişen alternatif akım, gövde üzerinde değişen bir manyetik alan meydana getirir. Bu alan etkisi ile sekonder sargılarda sarım sayısıve iletkenin kesit alanına bağlıolan bir elektrik akımıindüklenmesine sebep olur. Primerde AC’ nin bir alternansının akım yönünün tam tersi olacak yönde sekonder sargısında akım yönü belirir.
Transformatör ( Trafo ) Çeşitleri
a) Döner alanlı transformatör : Sargıları,içlerinden uygun akımlar geçtiğinde döner manyetik alanlar üretecek biçimde yerleştirilmiş çokfazlı transformatör.
b) Emici transformatör : Birincil ve ikincil sargıları,zemin aracılığıyla oluşacak dağılmayı azaltmak amacıyla,sırasıyla yalıtılmış iletkene ve bir cer hattının toprağa dönüş iletkenine seri bağlanmış transformatör.
c) Geçit transformatörü : Tek sargılı bir manyetik devreden oluşan ve bir akım transformatörü oluşturmak
amacıyla , yalıtılmış bir geçit izolatörü üzerine monte edilen aygıt.
d) Gerilim yükseltici ya da gerilim düşürücü transformatör : İkincil gerilimi, başka bir kaynağın verdiği gerilimle birleşen transformatör.
e) Leblanc sistemi transformatör : Üçfazlı bir transformatörde, üçfazlı bir gerilim sistemini ikifazlı bir gerilim sistemine ya da iki fazlı bir gerilim sistemini üç fazlı bir gerilim sistemine dönüştürmeye olanak veren sargı montajı.
f) Scott sistemi transformatör : Tek fazlı iki transformatörden oluşmuş bir bütünde , üç fazlı bir gerilim sistemini iki fazlı bir sisteme ya da ikifazlı bir sistemi üç fazlı bir sisteme dönüştürmeye olanak veren sargı montajı.
g) Sütunlu transformatör : Manyetik devresi,sütun biçiminde iki ya da birçok çekirdekten oluşan transformatör.
Günümüzde üretilen transformatörler yağlı ve kuru tip olmak üzere iki ayrı grup altında toplanmaktadır.
Yağlı transformatörler 36 kV 25 MVA, kuru tip transformatörlerin üretimi yapılmamaktadır.
Transformatörler ile ilgili araştırmalar devam etmekte olup, kimyasal enerjinin elektrik enerjiye dönüştürebildiği bilinmektedir. Fakat şu ana kadar hiçbir yöntemin transformatörü ortadan kaldırılması söz konusu değildir. Bugünkü teknolojik bilgilere göre, belki yarıiletkenler teknolojisi geliştirilebilir ve bulunmadığından, yakın gelecekte bununda gerçekleşmesi beklenmektedir. Tabii ki bu durumda gerilim değiştirme işinde tek seçenek transformatördür.
K=U1/U2 = N1/N2 = I1/I2 = a
Bu orana dönüştürme oranı denir.
Her transformatörün sabit bir dönüştürme oranı vardır.
Formüldeki değerlerde;
E1 : Primerde indüklenen E.M.K. (Volt)
E2 : Sekonderde indüklenen E.M.K. (Volt)
U1 : Primere uygulanan gerilim (Volt)
U2 : Sekonderden alınan gerilim (Volt)
N1 : Primer sipir sayısı (Sipir)
N2 : Sekonder sipir sayısı (Sipir)
I1 : Primer akımı (Amper)
I2 : Sekonder akımı (Amper)
a, K : Dönüştürme oranı –
Us : Sipir başına düşen gerilim (Volt/Sipir)
f : Frekans (Hz)
Æ: Manyetik akı MKSA (Weber), CGS (Maxwell)
4,44 : Sabit sayı
10(-8) : İndüklenen E.M.K.’nin volt cinsinden çıkması için kullanılan sabit sayıyı ifade eder.
Gerilim değiştirme işi neden bu kadar gerekli?
Örneğin: Basit olarak; kullanma gerilimi 220 Volt, enerjinin üretildiği yer 1000 km. uzakta ve üretim gücü 220MVA olsun. Burada çekilecek olan akım: I=220.000.000/220=106A’dir. İletim hattındaki akım yoğunluğu 4A/mm2 seçilse iletken kesiti: Q=106/4=0.25 m2 İletim hattının bakır olduğunu düşünürsek 1 metre iletken 2225 kg. 1000 km. hat için (İki iletken kullanarak) 4.45 milyon ton bakır kullanılmalıdır. Bakırın kg.‘ının yaklaşık olarak bugünkü fiyatının 800.000 TL. olduğu kabul edilirse, toplam bakır maliyeti 3.56*1015 TL. yan, 3.56 katrilyon TL. olmaktadır.
Ayrıca enerjinin iletilebilmesi için gönderilen uçtan görülen direncin:
R=22 V/106 A=0,0000222 ohm. olması gerekir. (Gerilim düşümünün <% 10 olması için)
Hâlbuki bizim hattımızın direnci=1.000.000/57*250.000=0,07018 ohm. olacaktır. Bizim hattımız yaklaşık 3190 misli daha büyük dirence sahiptir. Bu hat ile ancak 313,5 m. Uzaklığı kadar enerji taşınabilir.
Gerilim 220 Volt yerine kV ile taşınırsa bu defa akım 1000 A. olacak, aynı akım yoğunluğunda iletken kesiti 250 mm2. ‘ye inecek, toplam bakır ağırlığı 4450 ton, maliyeti de 3.56 milyar TL. olmaktadır.
Böylece iletken geriliminin 1000 misli arttırılarak, bakır maliyeti de 1000 misli azalacaktır. Tabii ki buna uygun direk, izolatör ve koruma düzeni temin edilebilecektir.
Gönderilen uçtan görülen 0,022 ohm. olması gerekirken, bizim hattımız, 70.2 ohm olmaktadır. Bu da gösteriyor ki bu enerji nakil hattı uygun değildir.
Buradan da görülmektedir ki, yüksek gerilim ile enerji iletimi bu kadar önemli ve zorunludur. Bu işi de sağlayan transformatör olmaktadır.
Transformatörün Manyetik, Elektrik ve Mekanik Özellikleri:
Transformatör esas olarak manyetik bir çekirdeği etrafına sarılmış iki sargılı hareketsiz bir elektrik makinesi olarak düşünülebilir. Bugünkü modern transformatörlerde birden fazla sargı, sargılardan çıkan kademe ayar uçları bulunmaktadır.
Çekirdekler manyetik özellikleri yükseltilmiş ve soğukta haddelenmiş saç levhaların, modern makinelerde dilme ve kesme işlemlerinden sonra dizimleriyle oluşmaktadır. Büyük güçlü transformatörlerde saçlar arasına uygun miktarda soğutma kanalları konularak soğutulması sağlanır. Çekirdek dizildikten sonra iletken olmayan bantlarla sarılıp sıkıştırılarak bir kütle oluşturulur.
Sargılar ise, çeşitli şekillerde oluşturulur. Silindirik olarak diskler halinde ya da katlar halinde sarılır ve çekirdeklerin bacaklarına yerleştirilir. Sargılar için yalıtım ve soğutma sorunları vardır. Teknik olarak en önemli sorun yalıtımdır. Bu nedenle her transformatörün yalıtım durumunun uygunluğunun tespiti için kesin sonuç, test gerilimlerinde test edilmesi ile edilmektedir.
Sargılardan kısa devre akımlarının geçmesi ile manyetik alanların meydana getirdiği problemler vardır. Özellikle güç transformatörleri için, manyetik alanların hesaplanması önemli olmaktadır. sargılardaki manyetik alan değerlerine bağlı olarak iletkenlerde aksiyal ve radyal kuvvetler oluşmaktadır. Bu kuvvetler güç transformatörlerinde küçümsenecek değerler değildir. Örnek verecek olursak 25 MVA gücünde bir transformatörde, kısa devre anında, sargılarda yaklaşık olarak 200 kN değerinde baskı kuvvetleri oluşmakta ve bu kuvvetler sargı iletkenlerinde 70-80 N/mm2 değerinde çekme veya basma kuvvetleri oluşturmaktadırlar. Hesapları iyi yapılmayan, iletkenleri iyi seçilmeyen bir transformatörde kısa devre esnasında oluşacak kuvvetler, iletkenlerin deforme olmasına, kopmasına neden olacaktır.
Geliştirme çalışmaları ile hesap yöntemlerinde elde edilen ilerlemeler malzeme konularında da elde edilmiştir. İlk üretilen transformatör çekirdeği, dökme demir ile üretilmiştir. Aynı yöntem ile bugün değil 100 MVA, 5 MVA gücünde bir transformatörü yapmak söz konusu bile değildir. Zira kayıp değerleri ve ısınma çok büyük olacaktır. 1905 yılında çeliğe silisyum katılarak histeresis ve edyy kayıplarının azaltılması sağlamıştır.
Bu tip pahalı malzemelerin araştırmalarının, silisli saç ve diğer malzemeleri; kâğıtlar, prespanlar, yağlar vb. geliştirilmesi, trilyonluk yatırımlar gerektirdiği için ve pazar payının küçük olduğu yurdumuzda yapılmamaktadır. Bizde araştırma geliştirme konuları, malzeme konularından çok dizaynda önem kazanmaktadır. 50 MVA ve üzerindeki transformatörlerde kaçak manyetik akının önemli etkileri olmaktadır. Bunları önleyip kayıpları azaltmak için, kazan ekranlaması yapılmaktadır. Kazan ekranlaması, saç paketler halinde hazırlanarak, kazan iç yüzeyine yerleştirilmesidir. Bu sadece bir örnektir.