TRANSFORMATÖRLER

TRANSFORMATÖRLER
ME 208
Kaynak : Dr.Mustafa Turan, Sakarya Üni
. Transformatörler, sabit (durağan)
bir elektrik makinesi türü olup,
elektrik enerjisini bir gerilim
değerinden diğerine
dönüştürmektedir.
. Döner makinelerden farklı olarak,
elektrik-mekanik enerji dönüşümü
gerçekleşmez.
. Sabit bir cihaz olan
transformatörlerde akım ve
gerilimlerin tamamı alternatif akım
(gerilim) dır. Enerji aktarımı,
manyetik indüksiyon prensibine
göre gerçekleşir.
1. Transformatörlerin Yapısı ve Çeşitleri
. Transformatörler, sabit (durağan)
bir elektrik makinesi türü olup,
elektrik enerjisini bir gerilim
değerinden diğerine
dönüştürmektedir.
. Döner makinelerden farklı olarak,
elektrik-mekanik enerji dönüşümü
gerçekleşmez.
. Sabit bir cihaz olan
transformatörlerde akım ve
gerilimlerin tamamı alternatif akım
(gerilim) dır. Enerji aktarımı,
manyetik indüksiyon prensibine
göre gerçekleşir.
1. Transformatörlerin Yapısı ve Çeşitleri
Transformatör (çoğu kez trafo diye kısaltılır); alternatif akımda çalışan ve bir
sistemden diğerine enerji transferi yapan, duran bir elektrik makinesidir.
Sarım sayıları ile orantılı gerilim üretileceğinden, belirli bir gerilimdeki enerjiyi
başka bir gerilime çevirerek aktarır.
Bu sayede alçak yada orta gerilimde üretilmiş enerji yüksek gerilime ve küçük
akıma çevrilerek, hat kayıplarını azaltacak şekilde uzak mesafelere iletilebilir.
Daha sonra iletilmiş yüksek gerilim; yine transformatörler ile şehir içi dağıtım
gerilimlerine dönüştürülürler.
Elektrik enerjisinin en önemli özelliklerinden biride üretildiği yerden çok uzak
bölgelere kolayca taşınabilmesidir. Bu taşımanın verimli bir şekilde yapılabilmesi
için gerilimin yeteri kadar yüksek olması gerekir.
Bilindiği gibi elektrik enerjisi doğru veya alternatif akım şeklinde üretilir. Doğru
akımda yüksek gerilimli enerji iletimi son zamanlarda büyük önem kazanmıştır.
Ancak bu konuda istenilen düzeye gelinememiş olup çalışmalar sürdürülmektedir.
Buna karşılık alternatif akımlı elektrik enerjisinin transformatörler yardımıyla
yükseltilip düşürülebildiğinden, enerjinin alternatif akımla taşınması önemini
korumaktadır.
Santrallerde jeneratör yardımıyla üretilen elektrik enerjisinin gerilimi çok yüksek
değildir. Jeneratör çıkış gerilimleri 0,4-3, 3-6, 3-10, 6-13, 0-14, 7-15, 8 ve 35 kV
değerlerindedir. Bu gerilimler enerjinin uzak bölgelere taşınmasını sağlayacak
kadar yüksek olmadığından yükseltilmeleri gerekir. Gerilimlerin yükseltilmesi
ise ancak transformatörler aracılığı ile gerçekleştirilir.
Bunun yanı sıra tüketim bölgelerinde dağıtım ve kullanma gerilimleri olarak
daha düşük gerilimlere ihtiyaç vardır. Bu küçük ve alçak gerilimlerin elde
edilmesi de transformatörler yardımı ile olur.
Elektrik enerjisinin iletilmesi, dağıtılması gibi alanlarda ve çeşitli aygıtların
çalıştırılmasında kullanılan transformatörler bu yüzden en önemli elektrik
makineleri grubundan sayılırlar.
. Basit bir transformatörde iki adet
elektrik devresi vardır. Bunlar primer
(birincil) ve sekonder (ikincil) devre
yada sargı olarak adlandırılır.
.Manyetik devre, primer ve sekonder
sargılar arasında bir bağ oluşturur.
.Primer sargıya bir AA gerilim
uygulandığında bu sargıda bir akım
akar. Bu akıma primer akımı denilir.
Bu akım neticesinde demir nüve de bir
zamanla değişen bir akı meydana
gelir.
.Uygulanan AA akım ve gerilimde
zamanla değişen periyodik bir işarettir.
.Faraday ın indüksiyon esasına göre
ikincil devrede bir gerilim indüklenir.
Transformatör Türleri
1. Yükseltici Transformatörler [Set Up / Unit Transformers] : Genellikle elektrik
santrallerindeki generatörlerin çıkışında bulunur. Generatör çıkış gerilimini (1020 kV arası orta gerilim) iletim sisteminin gerilim seviyesine (154-380 kV)
yükselterek üniteyi sisteme bağlar.
2. İndirici Transformatörler [Step Down / Substation Transformers ] : Dağıtım
şebekesinde yada YG/OG indirici merkezlerde kullanılır. İletim şebekesi ile
dağıtım şebekesininin birbirine bağlanması için yüksek gerilimin orta gerilime
(154-380/30-35 kV) indirilmesi görevini yapar.
3. Dağıtım Transformatörleri [Distribution Transformers] : Küçük dağıtım
şebekelerinde kullanılır. 30-34 kV arasındaki OG dağıtım şebekesini AG
şebekesine bağlar. Yani Orta gerilimi alçak gerilime düşürerek, tüketicilerin
kullanımına uygun seviyede enerji teminini gerçekleştirir. Ülkemiz için bu
trafoların sekonder gerilimi 380-400 V tur. Sokak ve caddelerdeki trafo
binalarında yada direk tepelerinde gördüğünüz trafolar bu gruba dahildir.
4. Özel Amaçlı Transformatörler
1. : Gerilim Trafosu (Potential Transformer – PT)
2. : Akım Trafosu (Current Transformer – CT)
3. : Ototrafo (Auto transformers)
Bunların yanında günlük hayatta elektronik eşyalarda kullanılan 220 V u 1.5-20 V
gibi çok küçük değerlere dönüştüren trafolarda mevcuttur.
İdeal Transformatörde İndüklenen Gerilim İfadeleri
Primer sargıda indüklenen emk
Sekonder sargıda indüklenen emk
Giriş gücü
Çıkış gücü
İdeal transförmatörlerde akım ve gerilimler arasında aynı faz farkı vardır.
İdeal trafoda giriş gücü ile çıkış gücü eşittir.
qp=qs=q
İdeal Transformatör ile Gerçek Transformatörler Arasındaki Farklılıklar
İdeal transformatörlerde kayıp yoktur ve
giriş gücü ile çıkış gücü birbirine eşittir.
Gerçek transformatörlerde ise kayıplar
söz konusudur ve trafo çıkışına bu
kayıplar yansır.
Gerçek dünyada transformatörler ideal değildir.
Sargıların iç direnci vardır.
Çekirdeklerin geçirgenliği sonsuz değildir.
Primer sargıda üretilen akının tamamı sekonder sargıyı kapsamaz.
Yani mutlaka kaçak bir akı oluşur.
Demir nüve, eddy akımını ve histerisiz kayıplarını oluşturur.
İdeal yani mükemmel olmayan nüvede neler meydana gelir ?
Nüvede eddy akımları ile histerisiz kayıplarını meydana gelmesi ne demektir ?
Nüvenin ideal olmaması sonucunda nüve, primer sargı ile paralel olan bir
Rm ve Xm ile temsil edilecektir.
Rm : demir kayıplarını
Xm : geçirgenliği modellemektedir.
Mıknatıslanma akımı olan Im akımı, Xm üzerinden akarak  akısını oluşturacaktır.
Gerçek bir transformatör, seri empedanslara sahip olduğundan, bir transformatörün
çıkış gerilimi; giriş gerilimi sabit kalsa bile yükle değişir.
Bu tanıma göre gerilim regülasyonu tanımının kullanılması gerekir.
Tam yükteki gerilim regülasyonu, tam yükteki çıkış gerilimi ile boştaki transformatörün
çıkış gerilimin karşılaştırılmasıdır.
Boşta iken gerilim regülasyonu
Boşta iken
PER UNIT Sistemde Gerilim Regülasyonu
İdeal trafolarda VR=0 dır
Verim Hesabı
Bakır kaybı
Nüve kaybı
Bu bölümde Doğru Akım Motorunun en temel ve en basit biçimde nasıl çalıştığını ve
gerekli momentin nasıl indüklendiğini yine basit bir tel çerçeve yardımıyla anlamaya
çalışacağız.
Bu amaçla bir DA güç kaynağı yani bataryanın bu basit düzeneğe bağlandığı ve tel
çerçeveye bir doğru gerilim verdiği teme düzeneği inceleyeceğiz. Bu arada stator
tarafından ortamda bir manyetik alanın var olduğunu dikkate almaya devam edeceğiz.
Anahtar kapalı iken, çerçevede ne kadarlık
bir moment üretilecek ve ne kadarlık bir akım
akmasına izin verilecektir. ?? Bunun için
aşağıdaki çerçeveye daha yakından bakalım.
4 temel esastan ilgili olanı hatırlayın.
Akım taşıyan bir iletken, bir
manyetik alan içerisinde bulunursa
iletkende bir kuvvet indüklenir. Bu
olay MOTOR un temel esasını
oluşturmaktadır.
İndüklenen kuvvet ifadesi
Komutasyon, temel olarak sabit DA çıkış gerilimini sağlamak için çerçevedeki
gerilimin polaritesini anahtarlarken, bir DA makinesinin rotorunda çerçeve
bağlantılarını anahtarlama sürecidir.
Basit dönen çerçeve durumundaki gibi çerçevelere bağlı dönen
dilimlere komutatör dilimleri, ve hareketli dilimlerin üstüne basan
durağan (sabit) parçalara fırça denir.
Gerçek makinelerdeki komütatör dilimleri tipik olarak bakır
çubuklardan yapılırlar.
Fırçalar, dönen komütatör dilimleri üzerinde ovma yaparken çok
az bir sürtünme oluşması için grafit içeren bir karışımdan yapılır.
Bir Doğru Akım Makinesinde İndüklenen Moment 3 faktöre bağlıdır
1.Makinedeki  akısına
2.Endüvi (rotor) akımına IA
3. Makine konstrüksiyonuna
Kutup alınları altındaki herhangi bir tek iletkende indüklenecek moment ifadesi
Makinede a akım yolu var ise endüvi akımı akım yolu sayısına bölünecektir.
Bu durumda tek bir iletkende indüklenen moment ifadesi
DİKKAT : Cond = Conductor, tek iletken
Z iletken için toplam indüklenen moment ifadesi
 ind
Z .r.l.B.I A
=
a
Bu makinedeki kutup başına akı ifadesi
B.[2rl ] 2. .r.l.B
 = BAP =
=
P
P
Toplam indüklenen moment ifadesi
Örnek Problem :
Chapman Sy 517 , Ör 8.3 ve 8.4
Bir DA Endüvisi Fotoğrafı
DA Makinelerinin
Yapısı
8440 kW lık Bir DA Motor (ABB)
DA Generatörü (1 kW, Bosch)
Kalıcı Mıknatıslı DA Motoru, 1.5 kW, Bosch
Doğru Akım Makinelerinin Ana Kısımları
• İlk defa 1889 da Montreal (Kanada) caddelerini
aydınlatmak amacıyla THOMSON generatörü
kullanılmıştır.
• Devir Sayısı : 1300 d/d (rpm)
• Toplam Ağırlık : 2390 kg (günümüzde aynı güçteki
motorlardan 7 kat daha ağır)
• Endüvi (rotor) Çapı : 292 mm
• Kutup Gövdesi (stator) İç Çapı : 330 mm
• Kollektör Dilim Sayısı : 76
Kutuplar
Fan
Fırçalar
Rotor sargıları
bilyeler
komutatör
Rotor : Makinenin dönen kısmıdır. Silindirik yapıda olan
rotorda oluklar içerisinde iletken sargılar yerleştirilir.
Rotordaki bu sargılar motorun ana besleme kaynağına
bağlı olup, rotora endüvi , bu sargılara ise endüvi
sargıları denilmektedir.
Endüvi; kollektör, demir nüve ve sargılardan
oluşmaktadır.
Endüvi bir mil (şaft) üzerine geçirilir ve alan kutupları
arasında döner.
Demir nüve, saç levhaların paketlenerek silindirik hale
getirilmesi ve üzerine oluk (oyuklar) açılması ile elde
edilir.
Saç levhalar, bir biri ile yalıtılmış olarak preslenmiş biçimde paketlendiğinden özellikle
girdap akımlarının azaltılmasına yol açar. Elektriksel temas olmaması manyetik kayıpları
azaltan bir etkendir.
Saç levhaları birbirinden izole eden bu yalıtkan olarak mika ve kağıt kullanılır.
Saç kalıbı
Dişler ve oluklardan oluşmaktadır.
Bir Doğru Akım Makinesinde İndüklenen Moment 3 faktöre bağlıdır
1.Makinedeki  akısına
2.Endüvi (rotor) akımına IA
3. Makine konstrüksiyonuna
Kutup alınları altındaki herhangi bir tek iletkende indüklenecek moment ifadesi
Makinede a akım yolu var ise endüvi akımı akım yolu sayısına bölünecektir.
Bu durumda tek bir iletkende indüklenen moment ifadesi
DİKKAT : Cond = Conductor, tek iletken
Z iletken için toplam indüklenen moment ifadesi
 ind
Z .r.l.B.I A
=
a
Bu makinedeki kutup başına akı ifadesi
B.[2rl ] 2. .r.l.B
 = BAP =
=
P
P
Toplam indüklenen moment ifadesi
DOĞRU AKIM MOTORLARI
GİRİŞ
Dünyadaki ilk elektrik güç biçimi doğru akım ve gerilimli sistemlerdi. Örneğin Edison’un
akkor telli lambası doğru gerilim ve akımda çalışmakta ve 19. yy (1800 lü yıllar)
sonlarına kadar şehir içi aydınlatma ve diğer kullanımlarda DA kullanılmaktaydı. Bu
süreçte kurulan ilk elektrik santrallerinde DA Generatörleri kullanılmaktaydı.
Teknik bazı problemler daha sonraları alternatif akımı, doğru akıma karşı üstün hale
getirdi. 19. yy sonlarında belirgin biçimde artık AA, DA yerine kullanılmaktaydı.
20.yy ortalarında DA enerji sistemleri iyice azalırken, DA makineleri özellikle motorları
hala belli uygulamalarda tercih edilmekteydi. Otomobil, Tır, Uçak ve Gemilerde yaygın
olarak kullanılmaktaydı. Bunun yanında DA motorlarının kontrolü yarı iletken
teknolojisinin olmadığı dönemlerde en önemli bir tercih sebebiydi.
Yarı iletken teknolojisi ve güç elektroniği elemanlarının yaygınlaşması ile günümüzde
asenkron motorlarda çok başarılı biçimde kontrol edilebilmekte ve böylece üretimi
pahalı olan doğru akım motorları yerine ucuz imal edilen asenkron motorlar iyice
hakimiyetini kurmuştur.
Bir DA Motorunun Hız Regülasyon şu şekilde tanımlanır.
SR =
wnl  w fl
w fl
100 =
nnl  n fl
n fl
100
Bu ise bir motorun moment-hız karakteristik şekli hakkında kabaca bilgi verebilir.
Pozitif hız regülasyonu, motorun hızının artan yük ile düşmesi
Negatif hız regülasyonu, motorun hızının artan yük ile artması demektir.
Hız ayarının büyüklüğü moment-hız eğrisinin eğiminin ne kadar dik olduğunu
yaklaşık olarak söylemektedir.
DA Motorları, şüphesiz bir DA güç kaynağı ile sürülür. Aksi belirtilmedikçe DA
motorunun giriş geriliminin sabit olduğu varsayılır.
Serbest Uyartımlı Doğru Akım Motorları
Şönt Uyartımlı Doğru Akım Motorları
Kalıcı Mıknatıslı Doğru Akım Motorları
Seri Uyartımlı Doğru Akım Motorları
Kompund Doğru Akım Motorları