Transformatörler - Doç. Dr. Ersan Kabalcı
advertisement
2. Bölüm: Transformatörler Doç. Dr. Ersan KABALCI 1 2. Bölüm: Transformatörler 2.1. Transformatörlere Giriş 2 Transformatörlere Giriş Transformatör, alternatif akım elektrik gücünü bir gerilim seviyesinden başka bir gerilim seviyesine değiştirir. Bu işlem manyetik endüksiyon yoluyla gerçekleştirilir. Bir transformatör, ortak bir ferromanyetik nüve üzerine sarılan iki veya daha fazla sayıdaki sargıdan oluşur. Sargılar arasındaki bağı nüvede oluşturulan sağlamaktadır. manyetik akı Yüksek manyetik bağ ve yüksek akı yoğunluğu sağlamak için ferromanyetik nüve kullanılan transformatöre demir nüveli transformatör denilir ve yüksek güç uygulamalarında kullanılır. 3 Transformatörlere Giriş Transformatör sargısının birisi AA güç kaynağına bağlanırken diğer sargı yüklere AA gücü sağlamak üzere bağlanır. Elektrik güç kaynağına bağlanan sargıya “primer sargı” veya “giriş sargısı”, yüklere bağlanan sargıya ise “sekonder sargı” veya “çıkış sargısı” denilir. Bir transformatör bir AA gerilim seviyesini başka bir gerilim seviyesine değiştirirken sağladığı gerçek güç değeri (ideal durumda) etkilenmez. Bir transformatör bir devrenin gerilim seviyesini yükseltir ise, akımı azaltmak durumundadır. Çünkü transformatörün giriş gücü ile çıkış gücü eşit olmalıdır. 4 Çekirdek ve Sargılar Primer 1 Düşük gerilim sargıları Primer 1 Primer 2 Düşük gerilim sargıları Primer 2 /2 nüve /2 nüve Sekonder 1 Sekonder 1 Sekonder 2 Yüksek gerilim sargıları Sekonder 2 Yüksek gerilim sargıları Çekirdek tipi nüve Ceket (mantel) tipi nüve 5 Üst kat Alt kat Çekirdek ve Sargılar Nüve kayıplarını azaltmak için manyetik nüve ince ve silisli lamine saclardan paketlenerek oluşturulur. Silikon çelik saclar yaklaşık olarak %3 silikon, %97 çelik içerirler. Birkaç yüz saykılın altındaki frekanslarda çalışan transformatörlerde kullanılan silisli çelik sacların kalınlığı 0.35-0.6mm aralığındadır. L biçimli veya U ve I biçimli saclar çekirdek tipi yapıda kullanılırken E ve I biçimli saclar ceket tipi yapıda kullanılır. Parçalı yapılı nüvelerde sargılar nüveden ayrı olarak hazırlanır ve nüveye kolayca yerleştirilebilir. 6 Çekirdek ve Sargılar elektriksel temsili İki sargılı bir transformatorun elektriksel temsili KULLANILMA KADEMELERİ Transformatorlar G 14.4kV Üretim 154kV 380kV 35kV 400V Yükler (alıcılar) İletim ve dağıtım Transformator ile değişik gerilim seviyelerinde güç iletimi 7 Transformatör Çeşitleri Bir transformatörün çıkış gerilimi giriş geriliminden yüksek ise yükseltici, düşük ise düşürücü transformatör olarak adlandırılır. İletim transformatörleri Ara istasyon transformatörleri Dağıtım transformatörleri Güç (kaynağı) transformatörleri Ototransformatörler Yalıtım (izolasyon) transformatörleri Ses (audio) frekansı transformatörleri Kontrol transformatörleri Ölçü transformatörleri 8 Transformatör Çeşitleri İletim transformatörleri büyük güçlüdürler (MVA) ve çok yüksek gerilimin uzaklara iletilmesinde gerilim yükseltici olarak kullanılırlar. Ara istasyon transformatörleri ise gerilimi orta seviyelere düşürmek için kullanılırlar. Dağıtım transformatörleri ise orta seviyelerdeki gerilimleri daha alt orta seviyelere düşürmek için kullanılırlar ve büyük güçlü transformatörlerdir. Güç (kaynağı) transformatörleri elektronik devrelerde kullanılır ve birçok farklı tip ve uygulamaları vardır. Ototransformatörleri, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlı gerilim sağlamak için kullanılır. 9 Transformatör Çeşitleri Yalıtım (izolasyon) transformatörleri, giriş ve çıkış gerilimleri eşit olan transformatörlerdir. Yalıtım transformatörü doğru akımın yalıtımı amacıyla kullanılır. Primere uygulanan gerilim hem doğru akım hem de alternatif akım bileşenlerini bulunduruyorsa, sekonder gerilimi sadece alternatif akım bileşeninden oluşacaktır. Yani, doğru akım bileşeni çıkışa aktarılmayacaktır. Yalıtım transformatörleri, primer ve sekonder (yük) arasında elektrik yalıtımını sağlamak amacıyla da kullanılırlar. Yalıtım transformatörleri, küçük güçlüdürler ve normalde elektronik devreler ile topraklama hattı arasında olaşabilecek gürültüyü yalıtmak için de kullanılırlar. Ses (audio) frekansı transformatörleri, ses frekansı (20kHz'e kadar) yükseltici devresi çıkış veya girişinde veya yükselticiler arasında empedans eşlemesi için kullanılır. 10 Transformatör Çeşitleri Kontrol transformatörleri, düşük güç veya VA değerlerinde sabit gerilim veya sabit akım gerekli devrelerde, elektrik sisteminde değişik noktalarda gerilimin genliği ve fazında istenen düzenlemeleri sağlamak için kullanılır. Ölçü tipi transformatörler, sistemin yüksek enerjili aletleri ve elemanları (ampermetre, voltmetre, vatmetre çeşitli koruma amaçlı kullanılan aletler) arasında bağlantının sağlanması ve yüksek gerilim ve akımların kullanılır. 11 kısmı ile ölçü ve röleler gibi emniyetli bir izlenmesi için 2. Bölüm: Transformatörler 2.2. Tek Fazlı Transformatörler 12 2.2. Tek Fazlı Transformatörler Transformatörlerin gerçek özellik ve davranışlarını daha kolay anlamak için ilk aşamada ideal transformatör üzerinde durulacaktır. İdeal transformatör durumunda modelleme ve analiz çalışmaları oldukça kolaydır. Daha sonra gerçek transformatörlerin modeli, yaklaşık eşdeğer devreleri, performans kriterleri olan gerilim regülasyonu ve verim, eşdeğer devre parametrelerinin tespiti, bir-fazlı transformatörlerin birbiriyle bağlantı şekilleri ve üç-sargılı transformatörler üzerinde durulacaktır. Burada temel olarak 50Hz kaynaktan beslenen güç transformatörlerine ağırlık verilecektir. Bu durumda kapasitif etkiler ihmal edilebilir. Ancak, yüksek-frekans uygulamalarında kapasitif etki dikkate alınmak zorundadır. 13 2.2.1. İdeal Transformatörler Transformatörlerin ideal sayılabilmesi için yapılan genel varsayımlar: Nüve kayıplarını oluşturan histerisis ve eddy akımı kayıpları ihmal edilmiştir. Kaçak akılar ihmal edilmiştir. Yani, bütün akı nüve içinde sınırlıdır ve her iki sargıyı da keser. Akıyı meydana getirmek için gerekli uyartım akımı ihmal edilmiştir. Yani nüvenin geçirgenliği çok yüksektir. Sargıların dirençleri ihmal edilmiştir. 14 2.2.1. İdeal Transformatörler i a+ + N1 N2 e1 v1 c e2 - - b d İdeal transformator 15 v2 2.2.1. İdeal Transformatörler Primer sargı zamanla değişen v1 gerilim kaynağına bağlanır. Bunun sonucunda gerilimin genliğine, frekansına ve primer sargı sarım sayısına bağlı olarak devreden geçen primer akımı tarafından üretilen ve zamanla değişen bir manyetik akı nüvede dolaşır. Nüvedeki değişken akı primer sargısında bir gerilim endükler ve bu gerilim primere uygulanan gerilime zıttır. İdeal transformatörde primer sargı gerilimi ile endüklenen gerilimin polariteleri dikkate alındığında, d d1 v1 e1 N 1 dt dt Sargı dirençleri ihmal edildiği için zıt emk, uygulanan gerilime eşit olur. Burada N1 primer sargının sarım sayısını, 1 ise primer sargı akısını temsil eder. 16 2.2.1. İdeal Transformatör- Yüksüz Zamanla değişen nüve akısı tarafından kesilen sekonder sargıda endüklenen emk; d d 2 v 2 e2 N 2 dt dt i a+ Burada N2 sekonder sargı sarım sayısı, 2 sekonder sargı akısıdır. + N1 N2 e1 v1 c e2 - - b d Primer ve sekonder gerilimleri oranlanırsa; İdeal transformator-Yüksüz v1 e1 N1 v 2 e2 N 2 Bu denklem, primerde ve sekonderde endüklenen gerilimlerin oranının primer ve sekonder sarım sayılarının oranına eşit olduğunu göstermektedir. N1 a N2 a sarım oranı veya dönüştürme oranı olarak bilinmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. 17 v2 2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü Sekonder sargı uçlarına bir yük bağlanırsa, sekonderden i2 a+ genliği yük empedansına bağlıdır. Ancak sekonder akımının ürettiği manyetik akının i1 yük akımı geçer. Akımın + N1 N2 v1 e1 yönü nüve akısını zayıflatma ve primerde e2 v2 yük - - b endüklenen gerilimi azaltma eğilimindedir. c d Yük bağlı ideal transformator İdeal bir transformatorda e1 her zaman v1 gerilimine eşit olmak zorundadır. Diğer bir ifadeyle, nüve akısı daima yüksüz durumdaki gerçek değerine eşit olmalıdır. Bu durumu sağlamak için yük akımı arttıkça, v1 gerilimi primer sargıdan daha fazla I1 akımı geçirir. Primer akımındaki artış primer ve sekonder sargılarından geçen akımların ürettikleri mmk’ler eşit oluncaya kadar devam eder. 18 2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü Kayıplar ihmal edilirse, transformatörün giriş gücü ile çıkış gücü eşit olur. i1 i2 a+ + N1 c N2 v1 e1 - b e2 v2 yük - d İdeal bir transformatörde akımların oranının, gerilimlerin (veya sargıların) oranının tersine eşit olduğu görülür. Bu sonuca göre, istenen her hangi bir gerilim değerinin, transformatörün sarım sayıları ayarlanarak elde edilebileceği görülmektedir. 19 2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü Transformatörler geniş bir sınıflandırmada, Yükseltici veya Düşürücü tipler olarak adlandırılabilirler. Yükseltici transformatörde: Düşürücü transformatörde: N1 / N 2 1 N1 / N 2 1 v2 v1 v2 v1 20 2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü Primere uygulanan gerilimin sinüsoidal değişiminin neticesinde nüvede oluşan manyetik alan da ideal durumda sinüsoidal olacaktır. Primer emk'nin etkin değeri (t ) m sin t E1 e1(t ) N1 m cos t e1 (t ) 2 f N 1 m sin(t 90 o ) 2 2 N1 m f E1 4.44 N1 m f Endüklenen gerilim: •Sarım sayısına •Akı genliğine •Kaynak frekansına orantılıdır. e1 (t ) N1 m cos t e1(t ) 2 E1 sin(t 90 o ) e1 ( t ) 2 E1 cos t 21 2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite Transformatör polaritesi: Bir transformatörün ikiden fazla sargısı olabilir ve gerilim seviyesini yükseltmek için bu sargıların kendi aralarında seri bağlantılarına, akım seviyelerini yükseltmek için ise paralel bağlantılarına gerek olabilir. Gerekli bağlantı yapılmadan önce her bir sargının polaritesi bilinmelidir. Bir sargıda endüklenen gerilimin polaritesi nokta () veya pozitif (+) ve negatif (-) işaretleri ile gösterilir. Noktalı terminalin (ucun) potansiyeli noktasız terminalden daha yüksektir. Polarite ile her bir sargıda endüklenen gerilimin diğer sargılara göre bağıl yönü de ifade edilmektedir. i1 i2 a+ + N1 c N2 v1 e1 e2 v2 - - b d 22 yük 2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite + + V1 V2 - - V Transformatör sargılarının polariteleri (a) çıkış ve giriş gerilimleri aynı fazdadır (b) çıkış gerilimi giriş geriliminden 180o faz farklıdır, (c) polarite deneyi 23 2.2.2. Gerçek Transformatörler İdeal transformatör modeli sadece gerilim, akım ve empedans transformasyonlarını dikkate aldığı için çok basittir. Bu kısımda daha gerçekçi bir transformatör modeli çıkarılacaktır. Primer ve sekonder sargılarının küçük de olsa dirençleri vardır ve sargılara seri bağlı olarak temsil edilirler. Sargı dirençlerinin ilave edilmesi neticesinde; terminal gerilimi endüklenen gerilime eşit olmayacak, transformatör giriş gücü çıkış gücünden daha büyük olacak ve verim %100’den küçük olacaktır. 24 2.2.2. Gerçek Transformatörler m R1 v1(t) L1 v1a (t ) v1a (t ) i2(t) i1(t) e1(t) l2 l1 d1 N1 dt e2(t) L2 R2 v2 a (t ) v2 a ( t ) yük d2 N2 dt e2 (t ) v2 a (t ) R2i2 (t ) v1(t ) v1a (t ) R1i1(t ) 25 2.2.2. Gerçek Transformatörler 1 akısı primer sargısını keser. Eğer nüvenin geçirgenliği sonsuz kabul edilir ise, relüktans (manyetik direnç) sıfırdır ve böylece sadece demir nüve yolundan devresini tamamlar. İdeal durumdan farklı olarak 1 'in çok küçük bir oranı hava aralığından devresini tamamlar (kaçak l1), sekonder sargısını kesmez ve L1 kaçak endüktansı veya X1 kaçak reaktansı ile temsil edilir. Geri kalan akı m hem primer hem sekonder sargılarını kesen demir nüvedeki ortak akıdır. 1 l1 m v1(t ) dl1 dm R1i1(t ) N1 N1 dt dt d l1 di1 L1 N1 dt dt v 1 ( t ) R 1 i1 ( t ) di 1 L1 e1 ( t ) dt 26 d m e1 N1 dt 2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım devresi m m Rm N1i1 N 2 i2 Rm m Rm i N 1 + F1=N1 i1 N 1i N 1i1 N 2 i2 + F2=N2 i2 N2 i1 i i2 N1 i1 i i ' 2 Primer akımı, uyartım akımı ile primere aktarılmış sekonder akımının toplamı olarak ifade edilebilir. 27 2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım akımı Uyartım akımı nüvede kullanılan manyetik malzemenin histerisis eğrisinden dolayı sinüsoidal değildir. Ancak burada uyartım akımının sadece temel dalga bileşeni dikkate alınarak işlemler yapılacaktır. Ic E1 qc Im If f Uyartım akımının fazör diyagramı 28 I1 + 2.2.2. Gerçek Transformatörler- Eşdeğer devre I2 I jX1 R1 V1 Gc + + E1 Bm - - jX2 + R2 E2 V2 - - ideal tramsformator N1 N2 (a) Bir transformatorun elektrik devresi I1 + R1 I’2 I jX1 JX’2 Im Ic V1 + N X 1 N2 ' 2 Gc Bm E1 2 N R 1 N2 ' 2 N2 I2 N1 + R’2 X 2 I 2' 2 R2 V’2 V2' - - Bir transformatorun T- eşdeğer devresi 29 (b) - N1 V2 N2 2.2.2. Gerçek Transformatörler- Performans Belirli bir uygulama için uygun transformatörün seçimi önemli performans ölçütlerinin değerlendirilmesini gerektirir. Önemli performans ölçütleri: • Gerilim regülasyonu: Sabit bir güç katsayısında yükün sıfırdan anma değerine kadar değişmesi sonucu sekonder gerilimindeki değişimdir. V2 yüksüz V2 anma %VR 100 V2 anma • Verim: Transformatörün çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır. P2 P1 P2 V2 I L cos L P1 P2 Pl V2 I L cos L V2 I L cos L Pc I L2 Req 30 Pl Pc I L2 Req 2.2.3. Tek Fazlı Transformatörlerin Bağlantıları Bir fazlı transformatörler çeşitli şekillerde bağlanabilirler. Burada, iki adet bir fazlı (A ve B olarak) transformatörün seri ve paralel bağlantıları üzerinde durulacaktır. Seri bağlantı: İki transformatörün primerleri kendi aralarında seri bağlanırken sekonderleri de kendi aralarında seri bağlanabilirler. Böylece sargı gerilimlerinin toplamı veya farkı olan giriş ve çıkış gerilimleri elde edilebilir. Paralel bağlantı: Transformatörlerin paralel bağlanma nedenlerinden önemlileri: Artan güç ihtiyacının karşılanması, Aşırı yüklenmelerden dolayı aşırı ısınmadan sakınmak, En yüksek enerji verimliliğinde çalışmak olarak belirtilebilir. Transformator B (a) 2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Seri Bağlantı Transformator A V1 V2A V2 V1 V2 Z2B Z1B V1B V1B V2B (a) N1A : N2A Y2 V2B N1B : N2B Transformator B Z1A Z2A Y1 V1A V2A V1A N1A : N2A Z1A (b) Z2A • V1 gerilimi V1A ve V1B gerilimlerinin toplamına, V2 ise V2A ve V2B gerilimlerinin toplamına eşittir. Y V V • Primer akımı her iki transformatörün primer sargılarından, sekonder akımı da her iki transformatörün sekonder sargılarından geçerler. Sargılardan geçen akımın V V transformatörlerin anma Zdeğerlerini geçmemesine dikkat edilmelidir. Z • Bu anma akımları birbirinden farklı olursa, toplam anma gücü azaltılmış olur. V bağlantıda Y 1 1A 2A 2 1 2B 1B 1B 2 V2B 2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Paralel Bağlantı Paralel bağlanacak transformatörlerde belirli şartların yerine getirilmesi gerekir: • Gerilim oranları aynı olmalıdır. Böylece transformatörler arasında sirkülasyon akımının oluşmaması sağlanır. • Per-unit empedansları eşit olmalıdır. • R/X oranı her iki transformatör için de aynı olmalıdır. • Üç-fazlı transformatörler için faz sıraları ve faz farkları aynı olmalıdır. Bu şartlar ancak ideal durumlarda gerçekleştirilebilir, pratikte tamamen gerçekleştirilemez. 1 1 1 Z eq Z A Z B V1 V I L Z L a IA I L Z eq ZA V ZA IL IA IB IB I L Z eq ZB V ZB 2. Bölüm: Transformatörler 2.3. Ototransformatörler 34 2.3. Ototransformatörler Standart transformatörler iki sargılı olmalarına karşılık ototransformatörler sadece bir sargılıdırlar ve bu sargının orta ucu dışarı çıkartılır. Bir-fazlı veya üç-fazlı olarak üretilmektedirler. Ototransformatörler, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlı gerilim sağlamak için kullanılırlar. Endüstride; asenkron motorlara düşük gerilimle yol verme, üç-fazlı sistemlerde nötr oluşturma, küçük motorların hız kontrolu, gerilimin yükseltilmesi veya düşürülmesi kullanılma yerlerine örnek olarak verilebilir. 35 2.3. Ototransformatörler Ototransformatörün temel ilkesi, sargıların elektriksel olarak iç bağlantılarına izin verilmesidir. Burada, Şekilde verilen ve bir demir nüve üzerine sarılmış N sarımlı bir ototransformatör sargısı üzerinde durulacaktır. b ara ucunun dışarı çıkarıldığı ve a-b uçları arasında kalan kısımda N1 sarım sayısının, b-c arasında kalan kısımda ise N2 sarım sayısının olduğu kabul edilecektir. 36 2.3. Ototransformatörler Sargının a-b arasında yer alan kısmı devreye seri bağlı olduğundan “seri sargı” olarak adlandırılır. Sargının b-c uçları arasında kalan kısmı ise hem yüke hem de kaynağa ortak olduğundan “ortak sargı” olarak adlandırılır. Ancak giriş uçları a-c ile çıkış uçları b-c birbirlerinden elektriksel olarak yalıtılmamıştır. Çünkü c ucu hem giriş hem de çıkış uçlarına ortaktır. Bu basit sargı, açıkça bir ototransformatörü meydana getirmektedir. Bu düzenleme sonucu elde edilen ototransformatöre, iki-sargılı transformatör kuralları uygulanabilecektir. 37 2.3. Ototransformatörler a-c giriş uçlarına bir alternatif akım (AA) kaynağı Vi bağlanır. Kaynaktan çekilen If uyartım akımı nüvede bir AA akısı fm meydana getirir. Manyetik akı hem N1 hem de N2 sargılarını keser. Böylece bu sargılarda, sarım sayıları ile orantılı gerilimler endüklenir. Uyartım akımı küçük olduğu için genellikle ihmal edilir ve böylece ideal ototransformatör kuralları uygulanabilir. Primerinde N1, sekonderinde N2 sarım sayısı olan bir ototransformator-Gerilim düşürücü 38 2. Bölüm: Transformatörler 2.4. Ölçüm Transformatörleri 39 2.4. Ölçüm Transformatörleri GİRİŞ Ölçü transformatörleri, bir güç sisteminde yüksek gerilim ve akımların standart düşük ölçme aralıklı voltmetreler ve ampermetreler ile ölçülmesi ve izlenmesi amacıyla tasarlanır. Ölçü transformatörlerinin primer ve sekonderleri arasında elektriksel yalıtımın bulunması, bu ölçmeler yapılırken aynı zamanda gerekli emniyeti de sağlarlar. Bunun için ölçü transformatörleri, yüksek gerilim ve akımları standart ölçü aletlerinin ölçme aralığına uygun seviyelere düşürürler. Ölçü transformatörleri genellikle gerilim ve akım transformatörleri olarak sınıflandırılabilir. 40 2.4. Ölçüm Transformatörleri Gerilim transformatörleri: • İletim hatlarının gerilimlerini ölçmek ve izlemek, • Ölçü aletlerini iletim hatlarından yalıtmak için kullanılırlar. • Değişik güçlerde üretilirler. • Yüksek hassasiyetli transformatorlardır. Primer geriliminin sekonder gerilimine oranı sabit olarak bilinir ve yükle çok az değişir. Ayrıca, sekonder gerilimi primer gerilimi ile tam olarak aynı fazda sayılabilir. • Sekonder gerilimin anma değeri genellikle 115V veya 120V'dur ve iletim hattına paralel olarak bağlanan primerin anma gerilim değerine bağlı değildir. Bu gerilim seviyesi standart ölçü aletleri ve rölelerin sekonder uçlarına bağlanmasını sağlar. 41 2.4. Ölçüm Transformatörleri İletim hattı Gerilim transformatörlerinin yapısı klasik 14.4kV yük transformatörlere benzerdir. Fakat, primer primer ile sekonder arasındaki yalıtım, yüksek gerilim hattı gerilimine dayanacak şekilde olmalıdır. Bu amaçla sekonder sargının bir C sekonder ucu topraklanır. V C yayılmış kapasitans voltmetre 0-115 V Böylece sekonder uçların birisine dokunulduğunda ölüm şoku tehlikesi önlenmiş olur. Sekonder, primerden yalıtılmış gibi görünmesine rağmen iki sargı arasındaki “yayılmış kapasitans” görünmeyen bir bağlantı sağlar. Bu görünmeyen bağlantı sekonder sargı ve toprak arasında yüksek bir gerilim üretir. Sekonder sargının bir ucu topraklanarak sekonder sargı ile toprak arasındaki en yüksek gerilim 115V'a sınırlanmış olur. 42 2.4. Ölçüm Transformatörleri Gerilim transformatörlerinin anma Primer ucu izolatörün en güçleri genellikle 500VA 'den azdır. üstündeki hata bağlanır. Diğer ucu topraklanır. Yalıtım için kullanılan hacim, bakır Sekonder iki adet 115 V veya çelik hacminden çok daha sargıdan meydana gelir. büyüktür. Hassasiyet: %0.3 Yüksek gerilim hatlarına bağlanan Toplam yükseklik: 2565mm gerilim transformatörleri daima hat- Porselen izolatör yüksekliği: 1880mm nötr (faz) gerilimini ölçerler. Faz Yağ: 250 litre gerilimlerinin ölçülmesi, iki yerine bir adet porselen kullanılmasını primerin bir Ağırlık : 740 kg izolatörün sağlar. Çünkü ucu toprağa bağlanmıştır. 7000VA, 80.5kV, 50/60Hz gerilim (potansiyel) transformatoru 43 2.4. Ölçüm Transformatörleri Akım transformatörleri: • Hat akımını ölçmek ve izlemek, sekonder uçlarına bağlanan ölçü aletlerini ve röleleri yalıtmak için kullanılırlar. • Yüksek hassasiyetli transformatörlerdir. • Primer-sekonder akımları oranı yük ile çok az değişir. • Primer ve sekonder akımları arasındaki faz açıları çok küçüktür, genellikle bir dereceden daha küçüktür. • Yüksek hassasiyetli akım oranı ve küçük faz açısı değerleri, uyartım akımı çok düşük tutularak gerçekleştirilir. 44 2.4. Ölçüm Transformatörleri • Akım transformatörünün primer sargısı hat ile seri olarak bağlanır. • Sekonder akımı, primer akımının anma değerine bağlı olmaksızın, genellikle 5 amperdir. • Şekilde ampermetreye paralel bağlı kısa devre anahtarı ampermetrenin sökülmesi gerektiğinde sekonder sargı uçlarını kısa devre etmek amacıyla konulmuştur. • Akım transformatörleri ölçme ve sistem koruması için kullanıldıklarından güçleri küçüktür ve genellikle 15VA-200VA aralığındadır. I1 N 2 a I 2 N1 N1 I2 I1 N2 45 İletim hattı 14.4kV I1 yük primer C C yayılmış kapasitans sekonder Kısa devre anahtarı, ampermetre sökülmeden önce kapatılmalıdır I2 A ampermetre 0-5 A 2.4. Ölçüm Transformatörleri Yüksek gerilim ölçülürken iletim güvenlik hatlarında nedeni ile akım akım transformatörleri muhakkak kullanılmalıdır. Primer ve sekonder sargılar arasındaki yalıtım, yüksek gerilim hattının faz gerilimi ve gerilim dalgalanmalarına dayanacak şekilde yapılmalıdır. Akım transformatörünün maksimum gerilim çalışabileceği etiketinde gösterilir. Gerilim transformatöründeki aynı sebepten, akım transformatörünün da sekonder sargısının bir ucu topraklanmalıdır. 500VA, 100A/5A, 50Hz bir akım transformatörü. Bir yüksek gerilim istasyonunda 230kV hat gerilimine göre yalıtılmış ve % 0.6 hassasiyetli bir akım transformatörünün bir faza bağlantısı 46 2.4. Ölçüm Transformatörleri Hat akımı 100A'i geçtiği zaman bazen toroidal akım transformatörleri kullanılır. Transformatör nüvesi bir yüzük gibi daireseldir, şerit saçlardan daire şeklinde yapılır. Sekonder sargı bu nüve üzerine sarılır. Primer ise genellikle sadece bir iletkenden meydana gelir. Bu iletken sekonderin ortasından (içerisinden) geçer. Primer iletkenin pozisyonu (merkezde olması veya olmaması) çok önemli değildir. Eğer sekonderde N sarım sayısı var ise, dönüştürme oranı da N olur. Örnek: 1000A/5A bir toroidal akım transformatörünün sekonder sargı sarım sayısı 1000/5 = 200 olur. 47 2.4. Ölçüm Transformatörleri Yüksek hat gerilimi, gerilim transformatörü ile düşürülür. Voltmetre ve elektrik sayacının gerilim bobini gerilim transformatörünün sekonder uçlarına paralel bağlanır. Yüksek hat akımı bir akım transformatörü ile düşürülür. Ampermetre ve elektrik sayacının akım bobini akım transformatörünün sekonder uçlarına seri olarak bağlanır. 48 2. Bölüm: Transformatörler 2.5. Üç Fazlı Transformatörler 49 2.5. Üç Fazlı Transformatörler GİRİŞ Günümüzde kullanılan elektrik enerjisinin büyük kısmı dengeli üç-fazlı gerilim sistemi kullanılarak üretilir, iletilir ve dağıtılır. Üç-fazlı sistemlerin modern hayatta önemli bir yerinin olması, üç-fazlı sistemlerin ve transformatörlerin çalışmasını ve kullanılmasını anlamayı gerekli kılmaktadır. Dengeli üç-fazlı gerilim sistemi, gerilim genlikleri ve frekansları aynı, fakat fazları birbirinden 120o farklı olan üç ayrı fazdan meydana gelir. 50 2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı Y-bağlı 3-fazlı sistem ve fazör diyagramı Van V 0 o Vbn V 120 o Vcn V 240 o V 120 o Vab Van Vnb Vab 3 V 30 o Vab Van Vbn Vbc 3 V 90 o Van Vbn Vcn V Vca 3 V 150 o 51 VL 3 V 2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı I L I Y-bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat gerilimleri arasındaki genlik ve faz ilişkileri 52 2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Δ-bağlı Vca Iaa' a a' Iab Ica c Iaa' Ibc Ibb' b Icc' Ibb' Ica 30o Iba Referans hattı Iab b' Vab c' Icc' -bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat akımları arasındaki genlik ve faz ilişkileri ' I aa I ca I ab I ab I 0 o I bc I 120 I ca I 120 o o ' I aa I (1 120 o 10 o ) ' I aa 3 I 150 o ' I bb 3 I 30 o I 3 I 90 ' cc 53 o I L 3 I VL V 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Güç Bağıntıları ia (t ) 2 I sin(t ) v a (t ) 2 V sin(t ) vb (t ) 2 V sin(t 120 ) ib (t ) 2 I sin(t 120 o ) vc (t ) 2 V sin(t 240 ) ic (t ) 2 I sin(t 240 o ) o o Faz büyüklükleri ile güç denklemi: Hat büyüklükleri ile güç denklemi: P3 (t ) 3V I cos P3 (t ) 3 VL I L cos Q3 (t ) 3V I sin Q3 (t ) 3 VL I L sin S3 (t ) 3V I S3 (t ) 3 VL I L Toplam görünür güç: S 3 P3 jQ3 54 2.5. Üç Fazlı Transformatörler Günümüzde kullanılan elektrik enerjisinin büyük kısmı dengeli üç-fazlı gerilim sistemi kullanılarak üretilir, iletilir ve dağıtılır. Üç-fazlı sistemlerin modern hayatta önemli bir yerinin olması ve enerjinin iletim ve dağıtımında üç-fazlı transformatörlerin kullanılması üç-fazlı transformatörlerin özelliklerini anlamayı gerekli kılmaktadır. 55 2.5. Üç Fazlı Transformatörler ÜÇ-FAZ TRANSFORMATOR BANKASI Üç-fazlı devreler için üç-fazlı transformatörlerin yapımı iki şekilde mümkündür. Birincisi, Şekilde gösterildiği gibi basit olarak üç adet bir-fazlı transformatörü üç-fazlı bir banka olarak bağlamaktır. Bu eski yaklaşımın avantajı ise herhangi bir arıza durumunda ilgili transformatörün değiştirilebilme imkanının olmasıdır. NP1 NS1 NP3 NS2 NP2 NS3 Üç adet birbirinden bağımsız bir-fazlı transformatordan oluşan 3-faz transformator bankası 56 2.5. Üç Fazlı Transformatörler 3-FAZLI TRANSFORMATOR İkinci yaklaşım ise şekilde gösterildiği gibi ortak bir nüve üzerine üç-faz sargılarını sarmak olmuştur. NP1 NS1 NP2 NS2 NP3 NS3 Çekirdek (a) tipi nüve üzerine sarılmış üç-fazlı bir transformator NP3 NP2 NP1 NS1 NS2 NP2 NS2 NS3 NP3 NS3 (b) Mantel tipi nüve üzerine sarılmış üç-fazlı bir transformator 57 2.5. Üç Fazlı Transformatörler 3-FAZLI TRANSFORMATOR Üç-fazlı transformatörde ortak nüve kullanılmasının nedeni şöyle açıklanabilir. Üstteki şekilde gösterilen üç adet tek-fazlı çekirdek tipi transformatörü dikkate alınız. Basitleştirmek amacıyla sadece primer sargıları gösterilmiştir. Dengeli üç-fazlı sinüzoidal bir gerilim sargılara uygulanırsa, üretilecek faz akıları da sinüzoidal ve dengeli olacaktır. Bu akıları taşıyan üç nüve bacağı Şekildeki gibi birleştirilirse, birleşen (ortak) bacaktaki net akı sıfır olacak ve bu 3 gerekçeyle ortak bacak alttaki şekilde gösterildiği gibi kaldırılabilecektir. 1 1 2 3 0 2 58 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantı Üç-fazlı transformatörlerin primerleri ve sekonderleri yıldız (Y) veya üçgen () şeklinde birbirlerinden bağımsız olarak bağlanabilirler. Üç-faz transformatör ünitesini (bankasını) dört ayrı şekilde bağlamak mümkündür. 1. 2. 3. 4. Yıldız-Yıldız (Y-Y) Yıldız-Üçgen (Y-) Üçgen-Yıldız (-Y) Üçgen-Üçgen (-) Bu dört bağlantıdan herhangi birinin gerçekleştirildiği üç-faz transformatör ünitesini analiz etmek için ünitedeki tek bir transformatörün incelenmesi yeterlidir. Bankadaki herhangi bir transformatör daha önce çalışılan bir-fazlı transformatör davranışının tamamen aynısını gösterir. Üç-faz transformatörün empedans, gerilim regülasyonu, verim ve benzer diğer hesaplamaları, daha önce bir-faz transformatör için geliştirilen aynı teknikler ile bir-faz esasına göre yapılır. 59 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı VP VLP / 3 ILS = IS ILP = IP a a' b b' V LS 3 VS VLP VLS VS VP c c' 3 VP VLP a VLS 3 VS a + + NP1 VLP b I LP I P I LS I S NS1 VS VP _ b' NS2 c c' NP3 60 VLS _ NP2 a' NS3 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı Y-Y bağlantı çok önemli iki problemi meydana getirir: 1. Transformatör devresine bağlı yükler dengesiz ise, transformatör faz gerilimleri ciddi ölçüde dengesiz hale gelir. 2. Üçüncü (3.) harmonik gerilimleri üretmesidir. Hem dengesizlik hem de 3. harmonik problemlerini gidermek için kullanılan iki teknik vardır: (i) Transformatör ile kaynağın nötr noktalarının birleştirilmesi (ii) Üçüncü (tersiyer) sargılı bir transformatörün kullanılması Pratikte Y-Y bağlantı çok nadir kullanılır. Çünkü bu bağlantının yaptığı işi diğer bağlantılar da yapabilir. 61 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı (i) Transformatör ile kaynağın nötr noktalarının birleştirilmesi: Özellikle primer tarafı nötr hattının topraklanması. Bu bağlantı 3.harmonik bileşenlerinin yüksek harmonik gerilimleri oluşturması yerine nötr hattına bir akım akışına yol açar. Nötr hattı aynı zamanda yükün herhangi bir akım dengesizliğine karşı akım dönüş yolu sağlar. Generatör ile transformator nötr noktaları nötr hattı ile birleştirilmiştir 62 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı (ii) Üçüncü (tersiyer) sargılı bir transformatörün kullanılması Transformatör ünitesinin üzerinde bulunduğu aynı nüve üzerine üçüncü bir sargı (tersiyer) sarılır ve üçüncü sargı -bağlı olarak nüveye eklenirse, 3. harmonik gerilim bileşenleri -bağlantıda toplanacak ve -bağlantılı sargılarda büyük bir akımın dolaşmasına neden olacaktır. -bağlı üçüncü sargı sistemi, transformatörün nötr ucunu topraklamaya denk bir görevi yaparak, gerilimin 3. harmonik bileşenlerini bastıracaktır. 63 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar I LP IS Yıldız-Üçgen (Y-) bağlantı a VP VLP / 3 VS VS=VLS b' c' VLP VP c a b + + NP1 VLP 3 VP VLP VLS VS VLP 3a VLS a' b VLS VS VP I LS 3 I S IS a I LP I P NS1 VP VS _ c' NP3 64 a' NS2 c I LS 3I S VLS _ NP2 b' NS3 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Yıldız-Üçgen (Y-) bağlantı Y- bağlantının gerilimlerinde 3.harmonik problemi yoktur. Çünkü 3.harmonikler -tarafta sirkülasyon akımı içersinde tüketilirler. Bu bağlantı dengesiz yüklerde daha kararlıdır. Çünkü -bağlantı oluşacak dengesizliği fazlara yeniden dağıtır. Bu bağlantının bir problemi vardır. -bağlantıdan dolayı sekonder sargı gerilimi karşılığı olan primer sargı gerilimine göre 30o ileridir. Bu faz kaymasının oluşması iki ayrı transformator ünitesinin sekonderlerinin paralel bağlanmasına engel oluşturur. Eğer paralel bağlantı yapılacaksa, transformatörlerin sekonderlerinin faz açıları da aynı olmak zorundadır. Yüksek gerilimden orta veya düşük gerilime gerilim düşürücü olarak kullanılır. Yüksek gerilim tarafında nötr hattının topraklanması imkanını sağlar. 65 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı a' I LP 3I P a VP VLP VLP=VP VLS 3VS I LS I S I P VLS b VS c b' c' VLP VLS a VP VLP b I LP 3 I P VP NS1 VS b' NS2 c' c NP3 66 VLS _ _ NP2 I LS I S a' + NP1 3 VS VLP a VLS 3 + NS3 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı Bu bağlantının avantajları ve faz kayması Y- bağlantı ile aynıdır. Sekonder sargı gerilimi karşılığı olan primer sargı geriliminden 30o geridedir. Diğer bir deyişle, primer sargı gerilimi sekonder sargı geriliminden 30o ileridir. Nötr hattı toprak hattına bağlanarak çoğu endüstrinin ihtiyacını karşılayan 3-fazlı 4telli güç sistemi üretilir. Faz gerilimleri hat gerilimlerinden 3 kat daha düşük olduğundan transformator içinde yalıtım miktarı azaltılır. Dezavantaj olarak Y-Y transformator ile paralel bağlanamaz. Çünkü Y-Y bağlantıda primer ve sekonder gerilimleri aynı fazlı iken -Y bağlantıda faz farkı vardır. -Y bağlantı gerilim yükseltmek için kullanılır. 67 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar I LP 3I P Üçgen-Üçgen ( -) bağlantı I S I LS 3I S a' a I P VLS=VS VLP=VP VLS VS VP VS VP VLP b b' c' c VLP a VLS a + + NP1 VLP I LP 3 I P b I LS 3I S VP NS1 VS b' NS2 c' c NP3 68 VLS _ _ NP2 a' NS3 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar Üçgen-Üçgen ( -) bağlantı Bu bağlantıda faz kayması yoktur. Ayrıca yük dengesizliği veya harmonikler ile ilgili bir problem de meydana gelmemektedir. Transformatörün birisi arızalandığında ya da bakıma alındığında (yani yerinden söküldüğünde) diğer iki transformatör görevlerini yapmaya devam ederler. Metal ergitme işlemleri için elektrik enerjisinin devamlılığı çok önemlidir. Ancak transformator ünitesinin gücü azaltılmış olur. Bu duruma açık- veya Vbağlantı denir. 69 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler Transformatör sargılarının bağlantıları yapılmadan önce bilinmesi gereken konulardan birisi de harmoniklerdir. Uyartım akımı harmonikleri: Transformatörlerde manyetik nüvenin doğrusal olmayan BH eğrisinden dolayı uyartım akımı sinüsoaidal değildir ve harmonikler içerir. Bir-faz için uyartım akımı harmonikleri: i i 1 i 2 i 3 ...... i I m1 cos t I m 2 cos 2t I m 3 cos 3t .... Burada, Im1, Im2 ve Im3 sırasıyla temel, ikinci ve üçüncü harmoniklerin tepe değerleridir. Üç-faza ait 2. harmoniklerin vektöryel toplamı: i2 I m 2 cos 2t I m 2 cos 2(t 120 o ) I m 2 cos 2(t 240 o ) 0 Üç-fazlı transformatörün sargılarının bağlanış şekline bakılmaksızın 2. harmoniklerinin veya çift sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı sıfır olmaktadır. 70 2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler Üç-fazlı bağlantıda hat akımlarını oluşturan faz akımlarının içeriğinde uyartım akımlarından kaynaklanan tek sayılı harmonikler vardır. Tek sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı 2. harmoniklerde olduğu gibi sıfır olmamaktadır. i3 I m 3 cos 3t I m 3 cos 3(t 120 o ) I m 3 cos 3(t 240 o ) i3 3I m 3 cos 3t Burada, Im3 3.harmonik akımlarının tepe değeridir. Üçüncü harmonik akımları sekonderde sinüzoidal olmayan gerilimler endükler. Bu nedenle, üç-fazlı transformatörlerde bağlantı şekli belirlenirken harmoniklerin olumsuz etkileri dikkate alınmalıdır. 71 KAYNAKLAR 1. Prof. Dr. Güngör BAL, “Doğru Akım Makinaları ve Sürücüleri”, Seçkin Yayınevi, Ankara 2008 2. Prof. Dr. Güngör Bal, “Transformatörler”, Seçkin Yayıncılık, 2012 3. Stephen J. Chapman, “Elektrik Makinalarının Temelleri”, Çağlayan Kitabevi, 2007, Çeviren: Prof. Dr. Erhan AKIN, Yrd. Doç. Dr. Ahmet ORHAN 72
