Tek fazlı trasformatörler

TEK FAZLI TRANSFORMATÖRLER

1.1. Yapısı

Elektromanyetik endüksiyon yolu ile akımı veya gerilimi frekansı değiştirmeden yükselten veya düşüren hareketli parçası olmayan elektrik makinelerine transformatör denir.

Transformatörler ince silisli saclardan oluşan kapalı bir manyetik gövde üzerine, yalıtılmış iletkenlerle sarılan sargılardan oluşur ( Resim 1.1 ).

1.1.1. Manyetik Nüve

Transformatörlerin nüveleri 0,30–0,50 mm kalınlığında ve birbirinden yalıtılmış özel silisli sacların bir araya getirilip sıkıştırılması ile meydana gelir. Bu sac nüvelerin dışında 260kHz frekanslı devrelerde kullanılan transformatörler ferrit nüveli olarak yapılır.

Piyasada kullanılan üç tip nüve vardır. Bunlar, şunlardır:

1. Çekirdek tipi nüve
2. Mantel tipi nüve
3. Dağıtılmış tip nüve

1.1.1.1. Çekirdek Tipi Nüve

Bu tip nüvelerde manyetik nüvenin kesiti her yerde aynıdır. Nüve tek gözlüdür. Çekirdek tipi nüveler daha çok büyük güçlü ve yüksek gerilimli transformatörlerde tercih edilirler. Çünkü sargıların yalıtımı daha kolay olmaktadır ( Resim 1.2 ).

Transformatörlerde manyetik nüveyi oluşturan sac parçalarının yerleştirilme şekilleri çok önemlidir. Sacların yerleştirilmesinde ek yerlerinin üst üste gelmemesi gerekir. Şekil 1.1’de çeşitli büyüklükte kesilen sac parçalarının üst üste dizilmeleri ile hazırlanan çekirdek tipleri görülmektedir.

L Şeklinde Yerleştirme UveI Şeklinde yerleştirme

I Şeklinde Yerleştirme Şekil 1.1: Çekirdek tipi nüvenin hazırlanış şekilleri

1.1.1.2. Mantel Tipi Nüve

Mantel tipi nüvede sargılar orta ayağa sarılmıştır. Bu tip nüvenin orta bacak kesiti, yan bacakların iki katıdır. Mantel tipi nüve alçak gerilimli ve küçük güçlü transformatörlerde kullanılır (Resim 1.3).

Mantel tipi transformatör saclarının yerleştirilişşekilleri de birkaç türlü yapılabilir. Şekil 1.2’de çeşitli yerleştirme şekilleri görülmektedir.

Şekil 1.2: Mantel tipi nüveyi oluşturan sacların çeşitli yerleştirilişşekilleri

1.1.1.3. Dağıtılmış Tip Nüve

Resim1.4’te görüldüğü gibi üstten bakıldığında ( + ) şeklinde görülür. Sargılar orta ayağa sarılmış olup dört dış ayak tarafından kuşatılmıştır. Dağıtılmış tip nüvelerde kaçak akılar en düşük düzeyde olduğundan boş çalışma akımları düşüktür.

Yukarıda sözü edilen nüve çeşitlerinden ayrı olarak bir de Resim 1.5’te görülen transformatörlerde şerit hâlinde saclar, özel makinelerde bobin şeklinde sarılarak kullanılır.

1.1.2. Transformatör Sargıları

En basit hâliyle transformatörlerde iki sargı bulunur. Bu sargılardan birine primer, diğerine ise sekonder sargı adı verilir. Bu iki sargı arasında hiçbir elektriksel bağlantı yoktur.

Primer sargının gerilimi, sekonder sargının geriliminden büyük olan transformatörlere alçaltıcı veya düşürücü transformatör denir. Primer sargının gerilimi, sekonder sargının geriliminden küçük olan transformatörlere de yükseltici transformatör denir.

Primer veya sekonder gerilimlerinden hangisi büyük ise o sargı ince kesitli ve çok sipirli sarılır iken, gerilim değeri küçük olan sargı ise kalın kesitli ve az sipirli sarılır. Bir örnek ile açıklamak gerekirse düşürücü tip transformatörün primer gerilimi yüksek olacağından primer sargı ince kesitli ve çok sipirli sarılırken, sekonder sargı ise kalın kesitli ve az sipirli olarak sarılır.

Primer sargı ile sekonder sargı arasına iki ucunu birleştirmeden bakır folyo resim 1.6’da görüldüğü gibi sarılmaktadır. Daha sonra resim 1.7’de görüldüğü gibi bakır folyodan izoleli iletken lehimlenerek transformatörün nüvesine irtibatlandırılır. Böylelikle transformatörlerde oluşan manyetik gürültü en aza indirilmiş olur.

Uzun yıllardır yuvarlak veya köşeli emaye ve pamuk izoleli bakır teller ile sarılan transformatör bobinleri, gelişen teknoloji sonucu bant veya folyo şeklindeki iletkenlerle sarılabilmektedir.

İnce şeritler hâlindeki bakır veya alüminyum bantlar, araların da konulan yalıtkan (mylar, nomex vs.) bantlarla izole edilerek, birlikte sarılmaktadır. Her kata bir sipir olarak sarılan transformatörlerin ömürleri ani akım değişikliklerine veya kısa devrelere maruz kalma durumlarında daha uzun olmaktadır. Ayrıca, bu sistem sayesinde transformatör, daha hafif ve kompakt olabilmekte ve sessiz çalışabilmektedir.

Transformatör sargıları genelde iki şekilde sarılır.

1. Dilimli sargılar
2. Silindirik sargılar

1.1.2.1. Dilimli Sargılar

Hem primer hem de sekonder sargısı dilimler hâlinde sarılır ve nüveye bir primer sargı, bir sekonder sargışeklinde sıra ile üst üste yerleştirilir. Ancak yalıtkanlığı sağlamak ve kaçak akıların etkisini azaltmak için düşük gerilim sargısının bir dilimi ikiye ayrılır ve bobin takımının en alt ve en üstüne yerleştirilir. Dilimli sargılar yüksek gerilim transformatörlerinde kullanılır( Şekil 1.3 ).

Şekil 1.3: Dilimli sargılar

1.1.2.2. Silindirik Sargılar

Küçük güçlü ve düşük gerilimli transformatörlerde uygulanan sarım tipi genellikle silindirik sargıdır. Yüksek gerilim sargısı altta düşük gerilim sargısı üstte olacak şekilde sarılır. Piyasada transformatörler genellikle silindirik sargışeklinde sarılır( Şekil 1.4 ).

Şekil 1.4: Silindirik sargılar

1.2. Bir Fazlı Transformatörlerin Çalışma Prensibi

Şekil 1.5’te görüldüğü gibi transformatörün primer sargısına alternatif gerilim uygulandığında sargıdan geçen akım değişken bir manyetik alan oluşturur. Çünkü primerden geçen alternatif akımın yönü ve şiddeti zamana bağlı olarak değiştiğinden, oluşturduğu manyetik alanın da yönü ve şiddeti zamanla değişir. Bu değişken manyetik alan manyetik nüve üzerinde bulunan sekonder sargıyı keserek devresini tamamlar ve sekonder sargıda bir alternatif gerilim oluşur.

Eğer primer sargıya bu sefer alternatif gerilim yerine doğru gerilim verilirse, primer sargıdan doğru akım dolaşır. Doğru akım zamana göre yönü ve şiddeti değişmeyen akımdır. Doğru akımın oluşturduğu manyetik alanın da zamana göre yönü ve şiddeti değişmediğinden sabit bir manyetik alan oluşur. Oluşan bu sabit manyetik alan sekonder sargıyı keserek manyetik nüveden devresini tamamlamasına rağmen sekonder sargıda bir manyetik alan oluşmaz. Çünkü elektromanyetik prensibine göre ya kesilen iletkenler hareketli olmalı ya da manyetik alan değişken olmalı. Doğru akımda bu iki şarttan birisi gerçekleşmediğinden sekonder sargıda gerilim oluşmaz. Ancak doğru gerilimin primer sargıya verilişi ve kesilişi sıralarında sekonder sargıda kısa süreli de olsa bir gerilim görülebilir. Manyetik alanın değişimi sürekli olmadığından, transformatörler doğru akımda kullanılmazlar.

1.3. Bir Fazlı Transformatör Çeşitleri

1.3.1. Düşürücü Tip Transformatör

Kullanım alanı en yaygın transformatör tipidir. Bu tip transformatörlere alçaltıcı tip transformatörler de denilmektedir. Primer sargıya uygulanan alternatif gerilimden daha küçük alternatif gerilim sekonder sargıdan alınıyorsa bu tip transformatörlere düşürücü tip transformatör denir (Resim 1.8).

Düşürücü tip transformatörler evlerimizdeki gece lambalarında, şarjlı süpürgelerde, cep telefonlarının şarj aletlerinde, bilgisayarlarımızda karşımıza çıkarlar.

1.3.2. Yükseltici Tip Transformatör

Primer sargısına uygulanan alternatif gerilimden daha büyük alternatif gerilimi sekonder sargıdan alıyorsak bu tip transformatörlere yükseltici tip transformatör denir.

Televizyonlarımızdaki ve enerji nakil hatlarındaki yüksek gerilimi bu tip transformatörler oluşturur.

1.3.3. Ölçü Transformatörleri

Alternatif akımda yüksek gerilimlerin ve büyük akımların ölçü aletleri ile ölçülmesi çok zor ve tehlikelidir. Özellikle belli değerlerden sonra ölçülmesi mümkün değildir. İşte bu nedenle yüksek gerilim ve büyük akımların ölçülmesi için ölçü transformatörleri kullanılır. Yüksek gerilimler ve büyük akımların ölçülmesi için ölçü transformatörleri kullanılır. Ölçü transformatörleri yardımı ile yüksek gerilimler ve büyük akımlar, transformatörün sekonder sargısında ölçü aletlerinin ölçebileceği değerlere indirilir. Ölçü transformatörleri, ölçmelerin güvenlik içinde kolay ve doğru bir şekilde yapılmasını sağladığı gibi, çalışanları da yüksek gerilimden korur.

Ölçü transformatörleri genel olarak akım ve gerilim ölçmelerinde kullanılır. Buna göre iki ayrı özellikte ölçü transformatörü yapılmıştır ( Resim 1.9 ).

• Akım transformatörleri
• Gerilim transformatörleri

1.3.4. Güvenlik (Yalıtım) Transformatörleri

Primer sargıya uygulanan alternatif gerilimin ve akım değerinin aynısı sekonderden alınıyorsa bu tip transformatörlere güvenlik transformatörü denir.

Elektrik çarpmalarını en aza indirmek ve güvenli bir ortam oluşturabilmek için güvenlik transformatörü kullanılır. Okulların atölye ve laboratuvarlarında, ameliyathanelerde kullanım alanları vardır.

1.4. Transformatörlerde İndüklenen Gerilimin Değeri

Lenz kanununa göre bir iletkende indüklenen elektromotor kuvvet (EMK) saniyede kesilen kuvvet çizgisi sayısı ile orantılıdır. Kesme hızı ne kadar fazla ise indüklenen EMK’da o kadar büyük olur.

Transformatörün primerine alternatif bir gerilim uygulandığında bu akım şekil 1.6’da görüldüğü gibi değişen bir manyetik alan oluşturur.

Şekil 1.6: Manyetik akının değişim eğrisi

Değişken manyetik alanın 1 Hz’lik (bir periyotluk) süre içindeki değişimi, uygulanan alternatif gerilimin değişimine benzer. Bir Hz’lik sürenin ¼’ ünde manyetik alan en büyük değerini alır. Buna göre T/4 zamanda manyetik akı?max değerini alır. T/4 süre içinde bir iletkende indüklenen EMK’ nın volt olarak ortalama değeri ise;

Örnek: Manyetik nüve kesiti 11 cm2 olan bir fazlı transformatörün primeri 50 Hz. ve 220 voltluk bir gerilime bağlanmıştır. Nüveyi oluşturan sacların manyetik indüksiyon yoğunluğu B=10000 gauss dur. Transformatörün sekonder sargısı 450 sipir olduğuna göre;

a.

Primer sipir sayısını bulunuz.

b.

Sekonder gerilimini bulunuz.

1.5. Dönüştürme Oranı

Transformatörler, hareketli parçaları bulunmadığından verimleri en yüksek elektrik makineleridir. Dolayısıyla primer ve sekonder güçlerini birbirine eşit kabul edebiliriz.

Örnek 1: Bir fazlı bir transformatörün primer sargılarında 500 sipir bulunmaktadır. Bu transformatörün primerine 220V uygulandığında, sekonderde 110V gerilim alınıyorsa sekonder sipir sayısını hesaplayınız.

Örnek 2: Bir fazlı bir transformatörün primer sargısı 1000 sipir, sekonder sargısı 125sipir, primer akımı 1 A ve sekonder gerilimi de 50 V olduğuna göre;

a.

Sekonder akımını bulunuz.

b.

Primer gerilimini bulunuz.

a.

Dönüştürme oranını bulunuz.

1.6. Arızalı Transformatörün Sökülmesi

Arızalı transformatörün öncelikle neden arıza yaptığı araştırılmadır. Araştırma sonuçlarına göre transformatör tamir edilmelidir. Transformatör arızaları primer ve sekonder sargılarından birisinin veya her ikisinin de yanması veya uçların kopması sonucu oluşur. Yanan sargının yerine yenisi sarılmalıdır. Bunun için aşağıdaki işlemler sırasıyla yapılmalıdır.

• Transformatör saclarını tutan cıvatalar sökülmelidir ( Resim 1.10 ).
• Transformatör üzerinde vernik varsa saclar, birbirinden kolay ayrılması için solvent veya tiner içinde bir süre bekletilmelidir. Ancak piyasada bu işlem fazla vakit aldığı gerekçesiyle atlanmaktadır.
• Karkasın içine giren saclardan birkaçı, küt uçlu keski kalınlığında kesilmelidir ( Resim 1.11 ).
• Kesilen parçalar nüveden çıkarılır.
• Karkasın içinde kalan kesik parça, küt uçlu keski ve çekiç yardımıyla çıkarılır.(Resim 1.12 )
• Daha sonra diğer saclar esnetilmeye çalışır. Sacların şeklini bozmadan çekiçle vurulur ki, vernikler çatlayarak dökülsün. Son yıllarda yapılan transformatörlerin sacları epoksi boya ile boyandığından vernikleme işlemi görülmemektedir.
• Bazı transformatörlerde titreşimi önlemek için saclar birbiriyle yapıştırılır. Bu tür saclarda yapışan yüzeyler bir bıçak yardımıyla tek tek ayrılır ( Resim 1.13 ).
• Birbirinden ayrılan saclar artık karkasın içinden rahatlıkla çıkartılır (Resim 1.14).
• Sacların sökülmesi bittikten sonra primer ve sekonder sipir sayılarının tespiti yapılır. Çok kademeli transformatörlerde karışıklığı önlemek amacıyla klemens sökülmemelidir.
• Sargıların etrafını saran presbant söküldükten sonra karkas çıkrığa takılır. Karkastan en son çıkan uç klemensten çıkarılarak (karkasa en son sarılan bobin ilk önce sökülür) sökülmeye başlanır ve sipir sayıları bir kâğıda not edilir.
• Sekonder sargı söküldükten sonra primer sargı ölçü aleti ve gözle kontrol edilir. Yanmış ise primer sargı da sökülür. Genelde sekonderi yanan transformatörün içerisinde oluşan yüksek ısı nedeniyle primer sargı da zarar görür.
• Primer sipir sayısı da bir kağıda not edilir.