2. Bölüm: Transformatörler - ekblc.files. · PDF fileÇekirdek ve Sargılar 5 Yüksek gerilim sargıları Sekonder 2 nüve Primer 2 Sekonder 1 Düşük gerilim sargıları Primer

2. Bölüm:Transformatörler

1

Doç. Dr. Ersan KABALCI


2.1. Transformatörlere Giriş

2

Transformatörlere Giriş

3

Transformatör, alternatif akım elektrik gücünü bir gerilimseviyesinden başka bir gerilim seviyesine değiştirir. Bu işlemmanyetik endüksiyon yoluyla gerçekleştirilir.

Bir transformatör, ortak bir ferromanyetik nüve üzerine sarılan ikiveya daha fazla sayıdaki sargıdan oluşur.

Sargılar arasındaki bağı nüvede oluşturulan manyetik akısağlamaktadır.

Yüksek manyetik bağ ve yüksek akı yoğunluğu sağlamak içinferromanyetik nüve kullanılan transformatöre demir nüvelitransformatör denilir ve yüksek güç uygulamalarında kullanılır.

Transformatörlere Giriş

4

Transformatör sargısının birisi AA güç kaynağına bağlanırkendiğer 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 gerilimseviyesine değiştirirken sağladığı gerçek güç değeri (idealdurumda) etkilenmez.

Bir transformatör bir devrenin gerilim seviyesini yükseltir ise,akımı azaltmak durumundadır. Çünkü transformatörün giriş gücüile çıkış gücü eşit olmalıdır.

Çekirdek ve Sargılar

5

Yüksek gerilim sargılarıSekonder 2

nüve

Primer 2

Sekonder 1

Düşük gerilim sargılarıPrimer 1

Yüksek gerilim sargıları

Sekonder 2

nüve

Primer 2

Sekonder 1

Düşük gerilim sargılarıPrimer 1

/2/2

Çekirdek tipi nüve Ceket (mantel) tipi nüve


6

Üst

kat

Alt

kat

Nüve kayıplarını azaltmak için manyetik nüve ince ve silisli lamine saclardanpaketlenerek oluşturulur.Silikon çelik saclar yaklaşık olarak %3 silikon, %97 çelik içerirler. Birkaç yüz saykılın altındaki frekanslarda çalışan transformatörlerde kullanılan silisliçelik sacların kalınlığı 0.35-0.6mm aralığındadır.L biçimli veya U ve I biçimli saclar çekirdek tipi yapıda kullanılırken E ve I biçimlisaclar ceket tipi yapıda kullanılır.Parçalı yapılı nüvelerde sargılar nüveden ayrı olarak hazırlanır ve nüveye kolaycayerleştirilebilir.


7

İki sargılı bir transformatorun elektriksel temsili

G Yükler(alıcılar)

Transformatorlar

14.4kV 380kV 154kV 35kV 400V

Üretim İletim ve dağıtım

KULLANILMA KADEMELERİ

Transformator ile değişik gerilim seviyelerinde güç iletimi

elektriksel temsili

Transformatör Çeşitleri

8

Bir transformatörün çıkış gerilimi giriş geriliminden yüksek iseyükseltici, düşük ise düşürücü transformatör olarak adlandırılır.

İletim transformatörleriAra istasyon transformatörleriDağıtım transformatörleriGüç (kaynağı) transformatörleriOtotransformatörlerYalıtım (izolasyon) transformatörleriSes (audio) frekansı transformatörleriKontrol transformatörleriÖlçü transformatörleri


9

İletim transformatörleri büyük güçlüdürler (MVA) ve çok yüksekgerilimin uzaklara iletilmesinde gerilim yükseltici olarak kullanılırlar.

Ara istasyon transformatörleri ise gerilimi orta seviyeleredüşürmek için kullanılırlar.

Dağıtım transformatörleri ise orta seviyelerdeki gerilimleri daha altorta seviyelere düşürmek için kullanılırlar ve büyük güçlütransformatörlerdir.

Güç (kaynağı) transformatörleri elektronik devrelerde kullanılır vebirçok farklı tip ve uygulamaları vardır.

Ototransformatörleri, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlıgerilim sağlamak için kullanılır.


10

Yalıtım (izolasyon) transformatörleri, giriş ve çıkış gerilimleri eşitolan transformatörlerdir. Yalıtım transformatörü doğru akımın yalıtımıamacıyla kullanılır. Primere uygulanan gerilim hem doğru akım hem dealternatif akım bileşenlerini bulunduruyorsa, sekonder gerilimi sadecealternatif akım bileşeninden oluşacaktır.Yani, doğru akım bileşeni çıkışa aktarılmayacaktır. Yalıtımtransformatörleri, primer ve sekonder (yük) arasında elektrik yalıtımınısağlamak amacıyla da kullanılırlar. Yalıtım transformatörleri, küçükgüçlüdürler ve normalde elektronik devreler ile topraklama hattıarasında olaşabilecek gürültüyü yalıtmak için de kullanılırlar.

Ses (audio) frekansı transformatörleri, ses frekansı (20kHz'ekadar) yükseltici devresi çıkış veya girişinde veya yükselticiler arasındaempedans eşlemesi için kullanılır.


11

Kontrol transformatörleri, düşük güç veya VA değerlerinde sabitgerilim veya sabit akım gerekli devrelerde, elektrik sisteminde değişiknoktalarda gerilimin genliği ve fazında istenen düzenlemelerisağlamak için kullanılır.

Ölçü tipi transformatörler, sistemin yüksek enerjili kısmı ile ölçüaletleri ve elemanları (ampermetre, voltmetre, vatmetre ve röleler gibiçeşitli koruma amaçlı kullanılan aletler) arasında emniyetli birbağlantının sağlanması ve yüksek gerilim ve akımların izlenmesi içinkullanılır.


2.2. Tek Fazlı Transformatörler

12

2.2. Tek Fazlı Transformatörler

13

Transformatörlerin gerçek özellik ve davranışlarını daha kolayanlamak için ilk aşamada ideal transformatör üzerinde durulacaktır.

İdeal transformatör durumunda modelleme ve analiz çalışmalarıoldukça kolaydır. Daha sonra gerçek transformatörlerin modeli, yaklaşıkeşdeğer devreleri, performans kriterleri olan gerilim regülasyonu veverim, eşdeğer devre parametrelerinin tespiti, bir-fazlı transformatörlerinbirbiriyle bağlantı şekilleri ve üç-sargılı transformatörler üzerindedurulacaktır.

Burada temel olarak 50Hz kaynaktan beslenen güç transformatörlerineağırlık verilecektir. Bu durumda kapasitif etkiler ihmal edilebilir. Ancak,yüksek-frekans uygulamalarında kapasitif etki dikkate alınmakzorundadır.

2.2.1. İdeal Transformatörler

14

Transformatörlerin ideal sayılabilmesi için yapılan genel varsayımlar:

Nüve kayıplarını oluşturan histerisis ve eddy akımı kayıpları ihmaledilmiştir.

Kaçak akılar ihmal edilmiştir. Yani, bütün akı nüve içinde sınırlıdır veher iki sargıyı da keser.

Akıyı meydana getirmek için gerekli uyartım akımı ihmal edilmiştir.Yani nüvenin geçirgenliği çok yüksektir.

Sargıların dirençleri ihmal edilmiştir.


15

İdeal transformator

+

-

N1 N2+

-

2e1e1v 2v

b

a

d

ci


16

Primer sargı zamanla değişen v1 gerilim kaynağına bağlanır. Bununsonucunda gerilimin genliğine, frekansına ve primer sargı sarım sayısınabağlı olarak devreden geçen primer akımı tarafından üretilen ve zamanladeğişen bir manyetik akı nüvede dolaşır.

Nüvedeki değişken akı primer sargısında bir gerilim endükler ve bugerilim primere uygulanan gerilime zıttır. İdeal transformatörde primersargı gerilimi ile endüklenen gerilimin polariteleri dikkate alındığında,

Sargı dirençleri ihmal edildiği için zıt emk, uygulanan gerilime eşitolur.

Burada N1 primer sargının sarım sayısını, 1 ise primer sargı akısını temsil eder.

dtd

dtdNev 1

111

2.2.1. İdeal Transformatör- Yüksüz

17

Zamanla değişen nüve akısı tarafından kesilensekonder sargıda endüklenen emk;

Burada N2 sekonder sargı sarım sayısı,2 sekonder sargı akısıdır.

Primer ve sekonder gerilimleri oranlanırsa;

dtd

dtdNev 2

222

2

1

2

1

2

1

NN

ee

vv

Bu denklem, primerde ve sekonderde endüklenen gerilimlerin oranının primer ve sekondersarım sayılarının oranına eşit olduğunu göstermektedir.

a sarım oranı veya dönüştürme oranı olarak bilinmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır.

+

-

N1 N2+

-

2e1e1v 2v

b

a

d

ci

İdeal transformator-Yüksüz

aNN

2

1

2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü

18

+

-

N1 N2

i 2

+

-

2e1e 2v

b

v1

d

ci 1

yük

a

Yük bağlı ideal transformator

Sekonder sargı uçlarına bir yük bağlanırsa,sekonderden yük akımı geçer. Akımıngenliği yük empedansına bağlıdır. Ancaksekonder akımının ürettiği manyetik akınınyönü nüve akısını zayıflatma ve primerdeendüklenen gerilimi azaltma eğilimindedir.

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.


19

Kayıplar ihmal edilirse, transformatörün giriş gücü ile çıkış gücü eşit olur.

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.

+

-

N1 N2

i 2

+

-

2e1e 2v

b

v1

d

ci 1

yük

a


20

Transformatörler geniş bir sınıflandırmada,Yükselticiveya

Düşürücütipler olarak adlandırılabilirler.

1/ 21 NN

Yükseltici transformatörde: Düşürücü transformatörde:

12 vv 1/ 21 NN

12 vv


21

Primere uygulanan gerilimin sinüsoidal değişiminin neticesinde nüvede oluşanmanyetik alan da ideal durumda sinüsoidal olacaktır.

tmt sin)(

tNe mt cos1)(1

)90sin(2 1)(1o

mt tNfe

tNe mt cos1)(1

)90sin(2 1)(1o

t tEe

tEe t cos2 1)(1

Primer emk'nin etkin değeri

fNE m

11 22

fNE m11 44.4

Endüklenen gerilim:•Sarım sayısına•Akı genliğine•Kaynak frekansınaorantılıdır.

2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite

22

Transformatör polaritesi: Bir transformatörün ikiden fazla sargısı olabilir vegerilim seviyesini yükseltmek için bu sargıların kendi aralarında seribağlantılarına, akım seviyelerini yükseltmek için ise paralel bağlantılarına gerekolabilir. 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 noktasızterminalden daha yüksektir. Polarite ile her bir sargıda endüklenen gerilimin diğersargılara göre bağıl yönü de ifade edilmektedir.

+

-

N1 N2

i 2

+

-

2e1e 2v

b

v1

d

ci 1

yük

a

2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite

23

V

V1 V2

++

- -

Transformatör sargılarının polariteleri (a) çıkış ve giriş gerilimleri aynı fazdadır (b) çıkışgerilimi giriş geriliminden 180o faz farklıdır, (c) polarite deneyi

2.2.2. Gerçek Transformatörler

24

İdeal transformatör modeli sadece gerilim, akım ve empedanstransformasyonlarını dikkate aldığı için çok basittir. Bu kısımda dahagerçekçi bir transformatör modeli çıkarılacaktır.

Primer ve sekonder sargılarının küçük de olsa dirençleri vardır vesargılara seri bağlı olarak temsil edilirler. Sargı dirençlerinin ilaveedilmesi neticesinde; terminal gerilimi endüklenen gerilime eşitolmayacak, transformatör giriş gücü çıkış gücünden daha büyük olacakve verim %100’den küçük olacaktır.


25

yük

m

e2(t) e1(t)v1(t) l2

L2i2(t)

)(2 tav

R2L1i1(t)

)(1 tav

R1

l1

)(11)(1)(1 ttat iRvv

dtdNv ta

11)(1

)(22)(2)(2 ttat iRve

dtdNv ta

22)(2


26

ml 11

1 akısı primer sargısını keser. Eğer nüvenin geçirgenliği sonsuz kabul edilir ise,relüktans (manyetik direnç) sıfırdır ve böylece sadece demir nüve yolundan devresinitamamlar. İdeal durumdan farklı olarak 1 'in çok küçük bir oranı hava aralığındandevresini tamamlar (kaçak l1), sekonder sargısını kesmez ve L1 kaçak endüktansı veya X1kaçak reaktansı ile temsil edilir. Geri kalan akı m hem primer hem sekonder sargılarınıkesen demir nüvedeki ortak akıdır.

dtdN

dtdNiRv ml

tt

11

1)(11)(1

dtd

NdtdiL l1

11

1

dtd

Ne m11

)(11

1)(11)(1 ttt edtdiLiRv

2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım devresi

27

2211 iNiNmm Rm

F1=N1 i1

Rm

F2=N2 i2

+ +

22111 iNiNiN

1NiRmm

21

21 i

NNii

'21 iii

Primer akımı, uyartım akımı ile primere aktarılmış sekonderakımının toplamı olarak ifade edilebilir.

2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım akımı

28

Uyartım akımı nüvede kullanılan manyetik malzemenin histerisiseğrisinden dolayı sinüsoidal değildir. Ancak burada uyartımakımının sadece temel dalga bileşeni dikkate alınarak işlemleryapılacaktır.

E1

f

If

Ic

Im

qc

Uyartım akımının fazör diyagramı

2.2.2. Gerçek Transformatörler- Eşdeğer devre

29

N2N1 (a)

-

+

V2

I1 I2

-

+

V1

-

jX2 R2

Bm

I

E2

++

-

Gc

R1 jX1

ImIc

-

+

V’2

I1 I’2

-

+

V1

-

E1

JX’2 R’2

Bm

I+

Gc

R1 jX1

(b)

E1

ideal tramsformator

Bir transformatorun elektrik devresi

Bir transformatorun T- eşdeğer devresi

22

1'2 V

NNV

21

2'2 I

NNI

2

2

2

1'2 R

NNR

2

2

2

1'2 X

NNX

2.2.2. Gerçek Transformatörler- Performans

30

Belirli bir uygulama için uygun transformatörün seçimi önemli performansölçütlerinin değerlendirilmesini gerektirir.

Önemli performans ölçütleri:

• Gerilim regülasyonu: Sabit bir güç katsayısında yükün sıfırdan anmadeğerine kadar değişmesi sonucu sekonder gerilimindeki değişimdir.

• Verim: Transformatörün çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır.

100%

2

22

anmaV

anmaVyüksüzVVR

1

2

PP LLIVP cos22 l P PP 21 eqLcl RIPP 2

eqLcLL

LL

RIPIVIV

22

2

coscos

2.2.3. Tek Fazlı Transformatörlerin Bağlantıları

Bir fazlı transformatörler çeşitli şekillerde bağlanabilirler. Burada, iki adetbir fazlı (A ve B olarak) transformatörün seri ve paralel bağlantıları üzerindedurulacaktır.

Seri bağlantı: İki transformatörün primerleri kendi aralarında seri bağlanırkensekonderleri de kendi aralarında seri bağlanabilirler. Böylece sargıgerilimlerinin toplamı veya farkı olan giriş ve çıkış gerilimleri elde edilebilir.

Paralel bağlantı: Transformatörlerin paralel bağlanma nedenlerindenönemlileri:Artan güç ihtiyacının karşılanması,Aşırı yüklenmelerden dolayı aşırı ısınmadan sakınmak, En yüksek enerji verimliliğinde çalışmak olarak belirtilebilir.

2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Seri Bağlantı

V1A

V1B

V1

V2B

V2A

V2

Transformator A

Transformator B

(a)

Z2A

V1

V2B

V2A

V2

N1B : N2B

N1A : N2A

V1A

V1B

Y1

Z2B

Z1A

Z1B

Y2

(b)

V1A

V1B

V1

V2B

V2A

V2

Transformator A

Transformator B

(a)

Z2A

V1

V2B

V2A

V2

N1B : N2B

N1A : N2A

V1A

V1B

Y1

Z2B

Z1A

Z1B

Y2

(b)

• V1 gerilimi V1A ve V1B gerilimlerinin toplamına, V2 ise V2A ve V2B gerilimlerinin toplamınaeşittir.

• Primer akımı her iki transformatörün primer sargılarından, sekonder akımı da her ikitransformatörün sekonder sargılarından geçerler. Sargılardan geçen akımıntransformatörlerin anma değerlerini geçmemesine dikkat edilmelidir.

• Bu bağlantıda anma akımları birbirinden farklı olursa, toplam anma gücü azaltılmış olur.

2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Paralel Bağlantı

Paralel bağlanacak transformatörlerdebelirli şartların yerine getirilmesi gerekir:• Gerilim oranları aynı olmalıdır. Böylece

transformatörler arasında sirkülasyonakımının 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 durumlardagerçekleştirilebilir, pratikte tamamengerçekleştirilemez. AA

eqLA Z

VZZI

I

BB

eqLB Z

VZZI

I

BAeq ZZZ111

ZIa

VV LL 1 III BAL


2.3. Ototransformatörler

34


35

Standart transformatörler iki sargılı olmalarına karşılıkototransformatörler sadece bir sargılıdırlar ve bu sargının orta ucu dışarıçıkartılır.

Bir-fazlı veya üç-fazlı olarak üretilmektedirler.

Ototransformatörler, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlıgerilim sağlamak için kullanılırlar. Endüstride; asenkron motorlara düşükgerilimle yol verme, üç-fazlı sistemlerde nötr oluşturma, küçükmotorların hız kontrolu, gerilimin yükseltilmesi veya düşürülmesikullanılma yerlerine örnek olarak verilebilir.


36

Ototransformatörün temel ilkesi, sargıların elektriksel olarak iç bağlantılarına izinverilmesidir. Burada, Şekilde verilen ve bir demir nüve üzerine sarılmış N sarımlı birototransformatör sargısı üzerinde durulacaktır. b ara ucunun dışarı çıkarıldığı ve a-buçları arasında kalan kısımda N1 sarım sayısının, b-c arasında kalan kısımda ise N2sarım sayısının olduğu kabul edilecektir.


37

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 ortakolduğundan “ortak sargı” olarak adlandırılır. Ancak giriş uçları a-c ile çıkış uçlarıb-c birbirlerinden elektriksel olarak yalıtılmamıştır. Çünkü c ucu hem giriş hemde çıkış uçlarına ortaktır.

Bu basit sargı, açıkça bir ototransformatörü meydana getirmektedir. Budüzenleme sonucu elde edilen ototransformatöre, iki-sargılı transformatörkuralları uygulanabilecektir.


38Primerinde N1, sekonderinde N2 sarım sayısı olan bir ototransformator-Gerilim düşürücü

a-c giriş uçlarına bir alternatif akım (AA) kaynağı Vi bağlanır. Kaynaktan çekilenIf uyartım akımı nüvede bir AA akısı fm meydana getirir. Manyetik akı hem N1hem de N2 sargılarını keser. Böylece bu sargılarda, sarım sayıları ile orantılıgerilimler endüklenir. Uyartım akımı küçük olduğu için genellikle ihmal edilir veböylece ideal ototransformatör kuralları uygulanabilir.


2.4. Ölçüm Transformatörleri

39


40

Ölçü transformatörlerinin primer ve sekonderleri arasında elektriksel yalıtımınbulunması, bu ölçmeler yapılırken aynı zamanda gerekli emniyeti de sağlarlar.

Bunun için ölçü transformatörleri, yüksek gerilim ve akımları standart ölçüaletlerinin ölçme aralığına uygun seviyelere düşürürler. Ölçü transformatörlerigenellikle gerilim ve akım transformatörleri olarak sınıflandırılabilir.

GİRİŞÖlçü transformatörleri, bir güç sistemindeyüksek gerilim ve akımların standart düşükölçme aralıklı voltmetreler ve ampermetrelerile ölçülmesi ve izlenmesi amacıyla tasarlanır.


41

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 sabitolarak bilinir ve yükle çok az değişir. Ayrıca, sekonder gerilimi primer gerilimi ile tamolarak aynı fazda sayılabilir.

• Sekonder gerilimin anma değeri genellikle 115V veya 120V'dur ve iletim hattına paralelolarak bağlanan primerin anma gerilim değerine bağlı değildir. Bu gerilim seviyesi standartölçü aletleri ve rölelerin sekonder uçlarına bağlanmasını sağlar.


42

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.

İletim hattı

yük14.4kV

V

CCyayılmış

kapasitans

voltmetre0-115 V

primer

sekonder

Gerilim transformatörlerinin yapısı klasiktransformatörlere benzerdir. Fakat, primerile sekonder arasındaki yalıtım, yüksekgerilim hattı gerilimine dayanacak şekildeolmalıdır. Bu amaçla sekonder sargının birucu topraklanır.


43

Primer ucu izolatörün enüstündeki hata bağlanır. Diğerucu topraklanır.Sekonder iki adet 115 Vsargıdan meydana gelir.Hassasiyet: %0.3Toplam yükseklik: 2565mmPorselen izolatör yüksekliği:1880mmYağ: 250 litreAğırlık : 740 kg

7000VA, 80.5kV, 50/60Hz gerilim (potansiyel) transformatoru

Gerilim transformatörlerinin anma

güçleri genellikle 500VA 'den azdır.

Yalıtım için kullanılan hacim, bakır

veya çelik hacminden çok daha

büyüktür.

Yüksek gerilim hatlarına bağlanan

gerilim transformatörleri daima hat-

nötr (faz) gerilimini ölçerler. Faz

gerilimlerinin ölçülmesi, iki yerine

bir adet porselen izolatörün

kullanılmasını sağlar. Çünkü

primerin bir ucu toprağa

bağlanmıştır.


44

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.


45

İletim hattı

yük14.4kV

A

C Cyayılmış

kapasitans

ampermetre0-5 A

primer

sekonder

I1

I2

Kısa devre anahtarı,ampermetre

sökülmeden öncekapatılmalıdır

• Akım transformatörünün primer sargısı hat ileseri olarak bağlanır.

• Sekonder akımı, primer akımının anmadeğerine bağlı olmaksızın, genellikle 5amperdir.

• Şekilde ampermetreye paralel bağlı kısa devreanahtarı ampermetrenin sökülmesigerektiğinde sekonder sargı uçlarını kısa devreetmek amacıyla konulmuştur.

• Akım transformatörleri ölçme ve sistemkoruması için kullanıldıklarından güçleriküçüktür ve genellikle 15VA-200VAaralığındadır.

aNN

II

1

2

2

11

2

1 INNI2


46

500VA, 100A/5A, 50Hz bir akım transformatörü. Bir yüksek gerilim istasyonunda 230kVhat gerilimine göre yalıtılmış ve % 0.6 hassasiyetli bir akım transformatörünün bir fazabağlantısı

Yüksek gerilim iletim hatlarında akımölçülürken güvenlik nedeni ile akımtransformatörleri muhakkak kullanılmalıdır.Primer ve sekonder sargılar arasındakiyalıtım, yüksek gerilim hattının faz gerilimive gerilim dalgalanmalarına dayanacakşekilde yapılmalıdır.Akım transformatörünün çalışabileceğimaksimum gerilim etiketinde gösterilir.Gerilim transformatöründeki aynı sebepten,akım transformatörünün da sekondersargısının bir ucu topraklanmalıdır.


47

Hat akımı 100A'i geçtiği zaman bazentoroidal akım transformatörleri kullanılır.Transformatör nüvesi bir yüzük gibidaireseldir, şerit saçlardan daire şeklindeyapılır.

Sekonder sargı bu nüve üzerine sarılır.Primer ise genellikle sadece bir iletkendenmeydana gelir. Bu iletken sekonderinortasından (içerisinden) geçer.

Primer iletkenin pozisyonu (merkezdeolması veya olmaması) çok önemli değildir.Eğer sekonderde N sarım sayısı var ise,dönüştürme oranı da N olur. Örnek:1000A/5A bir toroidal akımtransformatörünün sekonder sargı sarımsayısı 1000/5 = 200 olur.


48

Yüksek hat gerilimi, gerilimtransformatörü ile düşürülür.Voltmetre ve elektrik sayacınıngerilim bobini gerilimtransformatörünün sekonderuçlarına paralel bağlanır.

Yüksek hat akımı bir akımtransformatörü ile düşürülür.Ampermetre ve elektrik sayacınınakım bobini akımtransformatörünün sekonderuçlarına seri olarak bağlanır.


2.5. Üç Fazlı Transformatörler

49


50

GİRİŞGünümüzde kullanılan elektrik enerjisinin büyük kısmı dengeli üç-fazlı gerilimsistemi kullanılarak üretilir, iletilir ve dağıtılır.

Üç-fazlı sistemlerin modern hayatta önemli bir yerinin olması, üç-fazlı sistemlerinve transformatörlerin çalışmasını ve kullanılmasını anlamayı gerekli kılmaktadır.Dengeli üç-fazlı gerilim sistemi, gerilim genlikleri ve frekansları aynı, fakat fazlarıbirbirinden 120o farklı olan üç ayrı fazdan meydana gelir.

2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı

51

nbanab VVV

bnanab VVV

VVVV cnbnan

oan VV 0

obn VV 120

o

ocn

V

VV

120

240

oab VV 303

obc VV 903

oca VV 1503

VVL 3

Y-bağlı 3-fazlı sistem ve fazör diyagramı

2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı

52

IIL

Y-bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat gerilimleri arasındaki genlik ve faz ilişkileri

2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Δ-bağlı

53

VVL

Icc'

a'

c'

a

bb'c

Ibc

Ica

Iab

Iaa'

Ibb'Referans hattı

Icc'

Vab

Vca

Ibb'

30o

Iaa' Ica

IbaIab

-bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat akımları arasındaki genlik ve faz ilişkileri

oab II 0

obc II 120

oca II 120

abcaaa III '

)11( 0120' ooaa II

oaa II 150' 3

obb II 30' 3

occ II 90' 3

II L 3

2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Güç Bağıntıları

54

)sin(2)( tVv ta

)120sin(2)(o

tb tVv

)240sin(2)(o

tc tVv

)sin(2)( tIi ta

)120sin(2)(o

tb tIi

)240sin(2)(o

tc tIi

Faz büyüklükleri ile güç denklemi: Hat büyüklükleri ile güç denklemi:

LLtt

LLtt

LLtt

IVSIVS

IVQIVQ

IVPIVP

33

sin3sin3

cos3cos3

)(3)(3

)(3)(3

)(3)(3

333 jQPS Toplam görünür güç:


55

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.


56

ÜÇ-FAZ TRANSFORMATOR BANKASIÜç-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 olarakbağlamaktır. Bu eski yaklaşımın avantajı ise herhangi bir arıza durumunda ilgilitransformatörün değiştirilebilme imkanının olmasıdır.

NP1 NS1 NP2 NS2

NS3NP3

Üç adet birbirinden bağımsız bir-fazlı transformatordan oluşan 3-faz transformator bankası


57

3-FAZLI TRANSFORMATORİkinci yaklaşım ise şekilde gösterildiğigibi ortak bir nüve üzerine üç-fazsargılarını sarmak olmuştur.

NP1

(a)

NP2 NP3

NS3NS2NS1

(b)

NP2 NP3

NS3NS2NS3NP2 NP3NP1 NS1 NS2

Mantel tipi nüve üzerine sarılmış üç-fazlı bir transformator

Çekirdek tipi nüve üzerinesarılmış üç-fazlı birtransformator


58

3-FAZLI TRANSFORMATORÜç-fazlı transformatörde ortak nüvekullanılmasının nedeni şöyle açıklanabilir. Üsttekişekilde gösterilen üç adet tek-fazlı çekirdek tipitransformatörü dikkate alınız. Basitleştirmekamacıyla sadece primer sargıları gösterilmiştir.Dengeli üç-fazlı sinüzoidal bir gerilim sargılarauygulanırsa, üretilecek faz akıları da sinüzoidalve dengeli olacaktır. Bu akıları taşıyan üç nüvebacağı Şekildeki gibi birleştirilirse, birleşen(ortak) bacaktaki net akı sıfır olacak ve bugerekçeyle ortak bacak alttaki şekilde gösterildiğigibi kaldırılabilecektir.

2

3

1

0321

2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantı

59

Üç-fazlı transformatörlerin primerleri ve sekonderleri yıldız (Y) veya üçgen () şeklindebirbirlerinden bağımsız olarak bağlanabilirler. Üç-faz transformatör ünitesini (bankasını)dört ayrı şekilde bağlamak mümkündür.

1. Yıldız-Yıldız (Y-Y)2. Yıldız-Üçgen (Y-)3. Üçgen-Yıldız (-Y)4. Üçgen-Üçgen (-)

Bu dört bağlantıdan herhangi birinin gerçekleştirildiği üç-faz transformatör ünitesinianaliz etmek için ünitedeki tek bir transformatörün incelenmesi yeterlidir. Bankadakiherhangi bir transformatör daha önce çalışılan bir-fazlı transformatör davranışınıntamamen aynısını gösterir. Üç-faz transformatörün empedans, gerilim regülasyonu,verim ve benzer diğer hesaplamaları, daha önce bir-faz transformatör için geliştirilenaynı teknikler ile bir-faz esasına göre yapılır.

2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar

60NS3

c'

NP3

NS1

a'

NP1

_

NS2

b'

NP2

+

_

+a

b

c

VLP VP VS VLS

VS

VLS

c

b

VP

VLP

a

c'

b'

a'

ILP = IP ILS = IS

aVV

VV

S

P

LS

LP

33

3/LPP VV

SLS VV 3

PLP II SLS II

Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı


61

Y-Y bağlantı çok önemli iki problemi meydana getirir:

1. Transformatör devresine bağlı yükler dengesiz ise, transformatör fazgerilimleri ciddi ölçüde dengesiz hale gelir.

2. Üçüncü (3.) harmonik gerilimleri üretmesidir.

Hem dengesizlik hem de 3. harmonik problemlerini gidermek için kullanılaniki 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.


62

(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


63

(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.



64

Yıldız-Üçgen (Y-) bağlantı

S

P

LS

LP

VV

VV

3

3/LPP VV

SLS VV

PLP II

SLS II 3NS3

c'

NP3

NS1

b'

NP1

_

NS2

a'

NP2

+

_

+b

a

c

VLP VP VS VLS

c

b

VP

VLP

a

c'

b'

a'

VS=VLS

SLP II IS

SLS II 3

aVV

LS

LP 3

aVV

S

P


65

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.


66

Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı

S

P

LS

LP

VV

VV

3

LPP VV

SLS VV 3

PLP II 3

SLS II

3a

VV

LS

LP

VLP=VP

NP3

c

NS3

NP1

a

NS1

_

NP2

b

NS2

+

_

+

b'

a'

c'

VLSVSVLP

c

bVS

a

c'

b'

a'

VLS

VP

PLP II 3

SLS II

PI


67

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 4-

telli güç sistemi üretilir.

Faz gerilimleri hat gerilimlerinden 3 kat daha düşük olduğundantransformator 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.

Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı

-Y bağlantı gerilim yükseltmek için kullanılır.


68

Üçgen-Üçgen ( -) bağlantı

LPP VV SLS VV

PLP II 3

SLS II 3

aVV

VV

LS

LP

S

P

NP3

c

NS3

NP1

a

NS1

_

NP2

b

NS2

+

_

+

b'

a'

c'

VLSVSVLP

c'

b'

a'

VLP=VP

c

a

b

VP

VLS=VS

PLP II 3

PI

SI SLS II 3


69

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 V-

bağlantı denir.

2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler

70

Transformatör sargılarının bağlantıları yapılmadan önce bilinmesi gereken konulardan biriside harmoniklerdir.Uyartım akımı harmonikleri: Transformatörlerde manyetik nüvenin doğrusal olmayan B-H eğrisinden dolayı uyartım akımı sinüsoaidal değildir ve harmonikler içerir. Bir-faz içinuyartım akımı harmonikleri:

Burada, Im1, Im2 ve Im3 sırasıyla temel, ikinci ve üçüncü harmoniklerin tepe değerleridir.Üç-faza ait 2. harmoniklerin vektöryel toplamı:

Üç-fazlı transformatörün sargılarının bağlanış şekline bakılmaksızın 2. harmoniklerinin veyaçift sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı sıfır olmaktadır.

......321 iiii....3cos2coscos 321 tItItIi mmm

0)240(2cos)120(2cos2cos 2222 om

omm tItItIi

2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler

71

Üç-fazlı bağlantıda hat akımlarını oluşturan faz akımlarının içeriğinde uyartım akımlarındankaynaklanan tek sayılı harmonikler vardır. Tek sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı 2.harmoniklerde olduğu gibi sıfır olmamaktadır.

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 dikkatealınmalıdır.

)240(3cos)120(3cos3cos 3333o

mo

mm tItItIi

tIi m 3cos3 33

72

KAYNAKLAR

1. Prof. Dr. Güngör BAL, “Doğru Akım Makinaları ve Sürücüleri”, SeçkinYayınevi, 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

Documents

2. Bölüm: Transformatörler - ekblc.files. · PDF fileÇekirdek ve Sargılar 5 Yüksek gerilim sargıları Sekonder 2 nüve Primer 2 Sekonder 1 Düşük gerilim sargıları Primer