transformatör

• bir alternatif akım elektrik makinesi. kendisi sadece ac ile çalışır. dc şebeke yerine ac şebekenin tercih edilmesinin bir numaralı sebebidir. (bkz: alternatif akım/@weirdfish)
  
  not: bu yazıda güç transformatörleri ele alınmıştır. temel devre teorisine hakim her birey bu yazı ile transformatörün çalışma ilkesini kavrayabilir. transformatör ile ilgili pratiğe yönelik temel bilgiler elde edebilir.
  
  maxwell denklemlerine hakim olduğumuzu ve bu denklemlerin işin matematiğinden öte gerçekte ne anlam ifade ettiğine hakim olduğumuzu farz edersek transformatör ile beraber diğer tüm elektrik makinelerinin (asenkron motor, senkron generatör, dc motor, pmsm, bldc ve daha niceleri...) nasıl çalıştığının bilinmesi için önce manyetik devrenin ne olduğunun kavranması gerekir. daha sonra da ferromanyetik malzeme kavramıyla beraber histerezis eğrisinin ne olduğu bilinmelidir.
  
  ----------manyetik devre----------
  ilkokulda herkes basit bir elektrik devresi yapmıştır: bir üreteç, elektriksel iletkenliği yüksek bir tel (bakır,alüminyum) ve enerjiyi tüketen bir eleman. manyetik devre de bir elektrik devresine benzer. elektrik devresinde, bakırın elektriksel iletkenliğinin çok yüksek olmasıyla üretecin oluşturduğu elektrik akımı bakırdan devresini tamamlar. benzer şekilde manyetik bir devrede de manyetik akının (phi)(phi, elektrik devrelerindeki akıma denktir.) devresini tamamladığı yolu manyetik geçirgenliği çok yüksek bir malzeme oluşturur.
  
  şekilde basit bir manyetik devreyi görüyoruz. ilkokuldaki elektrik devremizde kullandığımız pilin bir emk'sı (elektromotor kuvvet) olduğu gibi manyetik devredeki sarımların da n x i (sarım sayısı x akım) kadar bir mmk'sı (f)(magnetomotor kuvvet) vardır. bu mmk manyetik malzemenin relüktansına (relüktans da elektrik devresindeki rezistansın/direncin karşılığıdır.) bağlı olarak bir phi oluşturacaktır.
  
  özetle "v=i x r" olarak bilinen ohm yasası manyetik devrede "f=phi x relüktans" şekline dönüşür. sözel ifadeyle: sargıdan akan akım sonucu amper kanununa göre bu sargı bir manyetik alan şiddeti/kuvveti (h) oluşturur. dolayısıyla manyetik geçirgenliği yüksek malzemeden bir manyetik akı (phi demiştik.) geçmeye başlar. phi'nin büyüklüğü ise manyetik malzemenin relüktansına (manyetik direnç) bağlıdır.
  ----------manyetik devre----------
  
  ----------endüktans----------
  manyetik devreden bahsettikten sonra endüktans kavramından söz etmek gerekir. basit manyetik devre örneğimize dönelim: sargıya uygulanan i akımı eğer ki bir alternatif akım ise çekirdekte (phi'nin yolunu tamamladığı manyetik geçirgenliği yüksek malzememiz) oluşan manyetik alan da alternatif yani değişken olur. aslında bir mıknatısa dönüştürdüğümüz çekirdeğin n ve s kutupları sürekli yer değiştirir vaziyettedir. işte tam burada faraday yasası devreye girer. çekirdekteki manyetik akının değişken olması sargımızda bir gerilimin endüklenmesine neden olacaktır (not: transformatörün dc ile çalışamamasının nedeni de budur). endüklenen bu gerilim ise kendisini oluşturan manyetik alanı gidermeye çabalar durur (bkz: lenz kanunu). sonuç olarak n sarımlı sargıda endüklenen gerilim: e=-n x d(phi)/dt halini alır.
  
  çekirdekteki phi akısını n tane sarımın beraberce oluşturması gibi yine bu n tane sarım phi'yi beraberce çevrelerler. bir başka deyişle halkalarlar. sarımların halkaladıkları bu akıya halkalanma akısı^* (lambda) denir. bizim örneğimizde lambda, "n x phi" kadardır. endüktans ise i akımının oluşturduğu manyetik akının, n sarımlı sargı tarafından ne kadarının halkalandığının ölçütüdür. yani sargının endüktansı "lambda/i" kadardır. ayrıca lambda yerine "n x phi" ve phi yerine manyetik devredeki ohm yasasına göre "(n x i)/relüktans" yazılırsa sargının endüktansının akımdan bağımsız olduğu; sarım sayısının karesiyle doğru orantılı, çekirdeğin relüktansıyla ters orantılı olduğu görülecektir.
  ----------endüktans----------
  
  ----------histerezis eğrisi----------
  transformatörde, elektrik enerjisi manyetik enerji formunda, primerden (birinci sargı) sekondere (ikinci sargı) iletilir. bu nedenle çekirdek için kullanılan malzeme, transformatörün performansını doğrudan etkiler. demir, nikel, kobalt gibi metallerden yapılan alaşımlardan oluşan ferromanyetik malzemeler, elektrik makinelerinde manyetik akının yolunu oluşturur. transformatörde de bu yol, basit manyetik devremizdeki gibi çekirdektir (nüve).
  
  yine basit manyetik devre örneğimize dönersek; amper kanuna göre sargıdan geçen akımla bir manyetik alan şiddeti/kuvveti (h) oluşur ve buna bağlı olarak çekirdekte phi akısı meydana gelir. ferromanyetik malzemelerde bu ilişki lineer değildir. histerezis eğrisi ise bu lineer olmayan ilişkiyi gösteren eğridir ve b-h eğrisi olarak da adlandırılır. b ise phi'nin nüvedeki yoğunluğudur. yani "phi/nüve kesit alanı" kadardır. histerezis eğrisi
  
  basit manyetik devre örneğimizdeki i akımı alternatif akım ise nüvedeki değişken b ve h değerleri sürekli bu eğrinin oluşturduğu çevrimi çizecek şekilde oluşur. buradaki bir diğer önemli nokta, ferromanyetik malzemenin akıma (dolayısıyla h'ye) bağlı olarak manyetik akı yoğunluğu (b) bakımından doymaya gidebilir (artan h'ye rağmen b'nin artamadığı durumlar) olmasıdır. bir noktadan sonra uygulanan manyetik alan şiddeti ferromanyetik malzeme içindeki manyetik akıyı arttıramaz. bu durumda artan elektrik akımı manyetik akı oluşturamaz ve endüktans (lambda/i) azalmaya başlar. ("phi x relüktans=n x i" formülünden de bu durum anlaşılabilir; akımın artarak mmk'yı arttırması sonucunda yine aynı phi söz konusu ise relüktansta bir artma olmalıdır, bu da endüktansın azalması demektir.)
  
  can alıcı noktaya gelirsek:
  şimdiye kadar b-h ilişkisinin lineer olduğunu varsaydık ve uyarma kaynağı olarak bir akımdan söz ettik. trafo modeline biraz daha yaklaşırsak; gerçekte primer sargılara bir alternatif gerilim kaynağı bağlıdır. b-h ilişkisinin, histerezis eğrisinden dolayı lineer olmadığını gördük. bu nedenle basit manyetik devremizin sargısına bir alternatif gerilim kaynağı bağladığımızda manyetik malzemenin lineer olmayan özelliğinden dolayı h'yi oluşturan akım sinüsoidal olmaz. çekirdekteki manyetik akı ise sinüsoidaldir ve sargımızda endükleyeceği gerilim de sinüsoidal olacaktır. yani işin özü, malzemeyi mıknatıslandıran akım histerezis eğrisinden dolayı sinüs şeklinde olmaz. bkz
  ----------histerezis eğrisi----------
  
  ----------trafo----------
  artık bir transformatör modeline yaklaşabiliriz. bunun için basit manyetik devremize bir sargı daha ekleyelim. bu durumda tahmin edileceği üzere çekirdekteki phi'yi ikinci sargı da halkalayacaktır ve faraday yasasına göre ikinci sargıda da bir gerilim endüklenecektir.
  
  şimdilik ikinci sargının açık devre olduğunu farz edelim (yüksüz/boşta çalışma). çekirdekteki manyetik akıyı hem primer sargı hem de sekonder sargı, sarım sayıları oranıyla halkalayacaktır. dolayısıyla bu sargılarda endüklenen gerilimler de doğrudan sarım sayılarıyla orantılıdır (e=n x d(phi)/dt=d(lambda)/dt). transformatörü transformatör yapan kısım burasıdır. ideal bir transformatörde "v1/v2=n1/n2" yazılabilir. boşta çalışma durumunda sekonderden bir akım akmaz. primerden ise boşta çalışma akımı (io) akar. bu akım, çekirdeğin lineer olmayan manyetik özelliğinden dolayı uygulanan gerilim gibi sinüsoidal değildir (histerezis eğrisi bölümünde söylemiştik). bir başka deyişle harmonikli bir akımdır. eğer bu akım sinüsoidal olarak modellenirse bir problem oluşturmaz. çünkü malzemeyi mıknatıslandıran akım (boşta çalışma akımı, io) transformatörün normal çalışma akımlarına kıyasla oldukça küçüktür. bu nedenle bu harmonikli akım (io) kendisiyle eşdeğer sinüsoidal bir akımla temsil edilir.
  
  boşta çalışma durumundan devam edelim. çekirdeği alternatif akım ile mıknatıslandırdığımız için çekirdekte n ve s kutuplarının sürekli yer değiştirdiğini söyledik. yani malzeme içinde dizilen dipoller sürekli yön değiştirir. histerezis eğrisine bakıldığında bir çevrimde h'nin sıfır olduğu durumlarda b'nin varlığı görülür. ya da manyetik doyma durumunda h'nin artmasıyla b değişmez. yani alternatif akımla sürekli yönlerini değiştirdiğimiz dipoller her zaman dediklerimizi dinlemez. (manyetik malzemenin mıknatıslanma özelliğinin lineer olmamasının sebebi de budur.) hizaya getiremediğimiz bu dipoller bize elektriksel bir kayıp olarak döner. bu kayıplara histerezis kayıpları denir. çekirdeği mıknatıslandırma esnasında "foucault kayıpları" denen bir durum da söz konusudur. çekirdekteki değişken manyetik alan çizgilerinin etrafında yine çekirdeğin elektriksel özelliğinden dolayı halkalanan akımlar endüklenir (yine faraday yasası çalışır.). bu akımlar eddy/foucault/girdap akımları isimleriyle bilinir. eğer transformatör çekirdeği löp demir şeklinde yapılırsa bu akımlar nüvenin içinde cirit atar ve çekirdekte çok fazla elektriksel kayıpla birlikte ciddi bir ısınma söz konusu olur. bu durumu önlemek için çekirdek, girdap akımlarının önlerini kesecek şekilde, sac paketlerin birleştirilmesiyle oluşturulur (bkz1 bkz2).
  
  histerezis ve eddy kayıplarının neden olduğu aktif güç kaybı, transformatörün elektriksel eşdeğer devresinde, mıknatıslanma endüktansına (transformatörü basit bir bobin olarak düşünürsek bobinin self-endüktansı diyebiliriz buna ki bu durumda primer sargının endüktansına karşılık gelir.) paralel şekilde bir direnç (rc) ile gösterilir. bkz mıknatıslanma endüktansına ait reaktans değeri ile histerezis ve eddy kayıplarını temsil eden direnç değeri deneysel olarak bulunabilir. primer ya da sekonder sargılardan biri açık devre edilip diğer sargıya anma^* gerilimi uygulanır. gerekli devre çözümlemeleriyle bu değerler elde edilir.
  
  şimdi sekondere bir yük bağlandığı duruma geçelim bkz. bu durumda sekonderde de bir akım akacak ve manyetik devrede n2 x i2 kadar bir mmk değeri daha olacaktır. transformatörü ideal olarak kabul edersek halkalanan akı iki sargı için ortak olduğundan "n1 x i1 = n2 x i2" yazmak doğrudur. fakat nüvede histerezis ve eddy kayıplarının (kısaca demir kayıpları) olduğunu ve bu kayıpları temsil eden direncin mıknatıslanma endüktansına paralel bağlı modellendiğini açıklamıştık. bu nedenle i1 akımı, io ve i2 akımlarının toplamı şeklinde yazılır. bir başka deyişle transformatörün kaynaktan çektiği akım, hem nüveyi mıknatıslandırma gereksinimini hem demir kayıplarını hem de sekonder taraftaki yükün ihtiyacını karşılayacak şekildedir. bundan dolayı da manyetik devredeki net mmk "n1 x i1 - n1 x io= n2 x i2" kadardır.
  
  demir kayıplarını modelledikten sonra transformatörün tamamen ideal bir transformatörden uzaklaştığını söylemek doğru olmaz. transformatörlerdeki sargıların da bir elektriksel direnci (r1 ve r2) vardır. örnek olarak v1 geriliminin birinci sargıya uygulandığını düşünürsek; birinci sargıda "i1 x r1" kadar bir gerilim düşümü ile "i1 x r1 x i1" kadar aktif güç kaybı söz konusudur. benzer durum ikinci sargı için de geçerlidir. örnek olarak ikinci sargıda faraday yasasına göre e2 gerilimi endüklenirken çıkıştaki terminallerde "e2 - i2 x r2" kadar bir gerilim okunacaktır. ayrıca "i2 x r2 x i2" kadar aktif güç kaybı da sekonderde harcanır. dolayısıyla bakır kayıpları olarak anılan bu aktif güç kayıpları "i1 x i1 x r1 + i2 x i2 x r2" kadardır.
  
  transformatörü, gerçeğine en benzer şekilde modellemek için kaçak akı kavramından da söz etmek gerekir. şimdiye kadar sargıların amper kanuna göre oluşturduğu manyetik akının hepsinin nüveden geçtiğini düşündük. gerçekte bu böyle olmaz. oluşan manyetik akının hepsi nüveden yolunu tamamlamak yerine başka yollar tercih edebilir. şöyle dandik bir durum söz konusudur. bu kaçak manyetik akılar transformatörün elektriksel eşdeğer devresinde bir endüktans ile gösterilir. sargıların kendi direnci (r) ve kaçak endüktanstan dolayı sahip oldukları kaçak reaktans (x), bir empedans (r'nin ve x'in vektörel toplamı) (z) ile gösterilebilir. dolayısıyla z değeri r'den büyük olduğundan yukarıdaki paragrafta belirttiğimiz gerilim düşümleri daha da artacaktır. örnek olarak ikinci sargının terminallerinden ölçülecek gerilim "e2 - i2 x z2" kadar olacaktır. fakat endüktans (dolayısıyla kaçak endüktans da) aktif güç tüketmediğinden bakır kayıpları yine "i1 x i1 x r1 + i2 x i2 x r2" kadardır.
  
  artık transformatörü gerçeğe uygun şekilde modelleyebiliriz (sıcaklıkla sargı dirençlerinin değişmesini, manyetik doymaları, diğer her türlü dış zamazingo etkiyi ihmal edersek.). elektriksel eşdeğer devreyi şu şekilde çizebiliriz. elektriksel eşdeğer devrede primer ve sekonderi daha iyi ilişkilendirebilmek için küçük bir matematiksel oyun yapılır. bunun için sargılarda endüklenen gerilimler eşitlenir (e1=e2). böylece iki ayrı kol birleştirilebilir. fakat bu durumda sekonder taraftaki reaktans ve direncin değeri de değiştirilmelidir (yük empedansı da işin içindeyse o da dönüştürülür). aksi durumda eşdeğer devre çözülürken akım ve güç değerleri doğru hesaplanamaz. eşdeğer devre
  
  net mmk denklemine dönersek (n1 x i1 - n1 x io= n2 x i2) ve eşdeğer devreye bakarsak; i1 = io + i2' olduğundan i2 = (n1/n2) x i2' kadardır. dirençte tüketilen aktif güç ve reaktansın reaktif gücü gerçekte sırasıyla "i2 x i2 x r2" ve "i2 x i2 x x2" kadardır ve modeldeki güçlere eşit olmalıdır (i2' x i2' x r2' ve i2' x i2' x x2'). öteki durumda model doğru olmayacaktır. bundan dolayı i2 ile i2' arasındaki bağıntı da bilindiğine göre r2 ile r2' ve x2 ile x2' arasındaki oranlar kolayca bulunabilir. (n1/n2 ye ü dersek r2'=ü x ü x r2 ve x2'=ü x ü x x2 kadardır.)
  
  eşdeğer devresi bilinen transformatörde, her yükleme durumunda primerden çekilen akım, transformatör verimi, güç faktörü, kayıplar, yüke verilen akım vs. her elektriksel parametre hesaplanabilir. (aşırı yüklenme durumlarında bu hesaplara çok itibar etmemek gerekir.)
  
  son olarak kısa devre deneyinden de söz etmek gerekir. bu deneyde transformatörün sekonderi kısa devre edilip primerden nominal akım akacak şekilde bir gerilim uygulanır (benzer şekilde primer kısa devre edilip sekonderden gerilim uygulanarak da bu deney yapılabilir.). deneyde, akım ve gerilim değerleri ölçüldüğünden sargıların kaçak reaktansları ve direnç değerleri deneysel olarak bulunabilir çünkü io akımı, nominal akıma kıyasla oldukça küçük olduğundan kısa devre durumunda transformatörün eşdeğer devresi şu şekilde gösterilebilir. bu deneyde primerden nominal akım aktığı anda yine primerden okunan gerilme kısa devre gerilimi (uk) denir. uk'nın transformatörün nominal gerilimine oranı (bizim örneğimizde primer sargının nominal gerilimi) bir yüzdeyle transformatörün plakasında gösterilir. bu yüzde değer, daha sonrasında transformatörün empedansının büyük yaklaşıklıkla hesaplanmasında kullanılır. (böylece elektrik dağıtım sistemlerindeki gerilim düşümü, kablo kesiti vs. hesaplamalarında, transformatör bir empedans olarak modellenebilir; hesaplar kolaylaşır.)
  ----------trafo----------
  
  ----------üç fazlı transformatör----------
  elektrik güç sistemlerinde kullanılan transformatörler üç fazlıdır (bkz: trifaze). fakat bu durum şu ana kadar adım adım gelerek çıkardığımız eşdeğer devrenin yanlış olduğunu göstermez. çıkarılan eşdeğer devre her faz için aynıdır. örnek olarak eşdeğer devre üzerinden bakır kayıplarını hesapladık diyelim. bulduğumuz bu sonucu üçle çarptığımızda bize transformatörün tüm bakır kayıplarını verecektir.
  
  üç fazlı transformatörlerle ilgili önce çekirdek yapısından söz etmek gerekir. üç fazlılarda primer ve sekonder sargılar iç içe sarılır (bkz1 bkz2 bkz3). tabi sargılar arasında elektriksel yalıtımı da sağlamak gerekir. bunun için iletenler, ellediğimizde "kağıt bu ya" diyebileceğimiz bir malzeme ile sarılır. iç içe sarılan sargıların uçları transformatör dışına izolatörler (buşing) eşliğinde alınır.
  
  üç fazlı transformatörlerle ilgili önemli nokta bağlama grubu ve grup açılarıdır. primer ve sekonder tarafta üç tane sargının birbirlerine bağlantı şekli, bağlama grubunu ve açısını belirler ve bu bilgi transformatör plakasında yer alır (örn: dyn11, yz5) birinci harf primerin bağlama grubun ikinci harf ise sekonderin bağlama grubunu belirtir; n ise nötr hattının olup olmadığını temsil eder (d:delta/üçgen, y:star/yıldız, z:zigzag). bağlantı gruplarından sonraki sayı ise bir fazdaki primer ve sekonder sargılardaki endüklenen gerilimler (e1 ile e2) arasındaki faz açısını belirtir (11 için 330 derece, 5 için 150 derece gibi). bu açı sargının sarım şekliyle alakalıdır. bağlama grupları ve grup açıları. bir elektrik dağıtım sisteminde herhangi bir fabrika ya da tüketim bölgesi paralel trafolardan beslenebilir. yani trafolar talep gücü beraberce sırtlarlar. burada önemli olan paralel trafoların bağlama gruplarının ve grup açılarının, nominal gerilimlerinin, güçlerinin, uk'larının aynı olmasıdır. aksi halde trafolar beraberce tüketim bölgesini besleyeceğine birbirlerini beslemeye başlarlar.
  
  trafolar kuru tip ve yağlı tip olarak da temel iki ayrıma sahiptir. yağlı tip trafolarda sargılar soğutma ve yalıtım için kullanılan yağın içinde bulunur. kuru tipte ise bulunmaz. kuru tip trafolar hastane gibi tüketim yerlerinin beslenmesi için kullanılır çünkü yangın ve patlama riskleri yoktur. yağlı olanlarda ise bir kısa devre durumunda aşırı ısınma ile yağ tutuşabilir ya da aşırı yüklenen trafoda yağın iyice genleşmesiyle patlama gerçekleşebilir. internette çokça bulunan "dehşet verici" trafo patlama görüntüleri aslında soğutma ve yalıtım için kullanılan yağın genleşmesi sonucudur. ayrıca dışarıdan bir trafoya bakıldığında görülen radyatör tipi yapı trafo kazanının yüzey alanını genişletir ve soğumaya yardımcı olur. örneğin bir yağlı tip trafo söz konusu ise yağ buralara dolar ve doğal bir hava soğutması ile transformatörü soğutur. görülen depo yapısı ise yağlı tip trafolardaki genleşme tankıdır. bazı yağlı tip trafolarda genleşme tankı bulunmayabilir. bu tip olanlar hermetik trafo olarak isimlendirilir.
  
  son olarak trafo kademe ayarından bahsetmek gerekir. elektrik şebekesinde çeşitli yüklenme durumlarına göre gerilim değerleri değişebilir. yani elektrik şebekesi, sanıldığı gibi stabil bir şey değildir. örnek olarak 30kv/0.4kv değerlerinde bir dağıtım trafosunu ele alalım. transformatörün plakasına baktığımızda yüksek gerilim tarafında kademelere göre 28500v, 31500v gibi farklı değerler görülür. bu kademelerin değiştirilmesi n1 sarım sayısını değiştirerek n1/n2 değerini değiştirmekten başka bir şey değildir. kademe değiştirici, belli oranlarda primer sarım sayısını devreye alır ve sekonder kısımda da gerilim yeni çevirme oranınca değişir. böylece olası gerilim düşmelerine ve yükselmelerine karşı önlem alınmış olunur. bu işlem manuel ve otomatik olarak yapılabilir.
  ----------üç fazlı transformatör----------
  
  şimdiye kadar anlatılanları gözde daha iyi canlandırmak için bonus