TRANSFORMATÖRLER

Çok farklı seviyelerdeki ihtiyaçları karşılamak için birçok elektrikli cihazın besleme ünitelerinde hem gerilim seviyesini değiştirmek hem de elektriksel yalıtım amacıyla transformatörler kullanılmaktadır. Yüksek gerilimli ve yüksek akım devrelerinde ölçme yapmak için ölçülecek büyüklüklerin ölçü aletlerinin ölçebileceği seviyeler düşürülmesi gerekir. Bu amaç için de ölçü transformatörleri kullanılır.

Transformatörlerin yapısı bir manyetik nüve ve nüvenin üzerine yalıtılmış iletkenlerle sarılan sargılardan oluşur. Basit bir transformatörlerde iki adet sargı bulunur: Primer ve Sekonder sargılar. Primer sargıya birincil sargı, sekonder sargıya da ikincil denir. Primer sargı transformatörün giriş
sargısıdır ve şebekeye bağlanır. Sekonder sargısı da çıkış sargısıdır ve yüke bağlanır. Eğer transformatörler gerilimi yükseltmek için kullanılacaksa primer sargıya düşük gerilim sargısı sekonder sargıya da yüksek gerilim sargısı denir. 

Transformatörlerde gücün en verimli bir şekilde primer sargıdan sekonder sargıya manyetik olarak transfer edilebilmesi için nüvede kullanılan malzemenin relüktansının çok düşük olması istenir. Bundan dolayı nüveler bir tarafı yalıtılmış yumuşak demir ve çelikten malzemeden yapılmış ince saçların paketlenmesiyle meydana gelir. Saçların bir yüzünün yalıtılmasında vernik, kâğıt, lak, ve benzeri yalıtkanlar kullanılır.

Transformatörlerde iki çeşit nüve kullanılmaktadır:
• Çekirdek tipi nüve
• Mantel tipi nüve

Transformatörlerde kullanılan sargılar silindirik ve dilimli sargı olmak üzere iki farklı sargı şekli kullanılır. Silindirik sargılar küçük güçlü transformatörlerde kullanılır. Makara şeklinde hazırlanıp nüveye yerleştirilir. Alçak gerilim sargısı altta yüksek gerilim sargısı üste gelecek şekilde hazırlanır.

Transformatörlerin sargılarında endüklenen gerilimlerin anlık yönleri sargılara uygulanan gerilimin polaritesine ve sargılarda meydana gelen manyetik akının yönüne bağlı olarak değişir. Sargılarda endüklenen gerilimin anlık yönlerinin bulunmasına veya sargı uçlarının işaretlerinin belirtilmesine polarite denir.

Lenz kanununa göre bir iletkende bir gerilim endüklenmesi için iletkenin değişken bir manyetik alan içinde bulunması veya sabit bir manyetik alan içinde hareket etmesi gerekir.

Transformatörlerin devre analizinde ve simülasyonunda gerçek modelinin yerine eşdeğer devreleri kullanılır. Eşdeğer bir devrenin mümkün olduğu kadar gerçek transformatörün bütün parametrelerini yansıtması yani bütün özellikleri taşıması gerekir. Eşdeğer devre çıkarılırken transformatörün bütün parametrelerinin hesaba katılması gerekir. Eşdeğer devrenin transformatörün bütün özelliklerini taşıması gerekir. Transformatörün eşdeğer devresinde bakır kayıpları, nüve kayıpları (girdap akım kayıpları ve histeresiz kayıpları) ve kaçak akı kayıplarının göz önünde bulundurulması gerekir.

Kısa devre deneyi transformatörün önce primer gerilimi sıfıra eşitlenip sekonder uçları bir ampermetre üzerinden kısa devre edilerek gerçekleştirilir. Primer sargı tarafına da boş çalışma deneyinde olduğu gibi ampermetre, voltmetre ve wattmetre bağlanır. Primer sargıya uygulanan gerilim, sekonder sargıdan geçen akım sekonder anma akımına ulaşıncaya kadar, yavaş yavaş artırılır. Primer sargı tarafına bağlanan ölçü aletlerinin ölçtüğü akım, gerilim ve aktif güç değerleri (Ik, Vk, Pk) kaydedilir. Sargılara zarar vermemek için sekonder sargıdan anma akımından fazla akımın geçmemesi gerekir.

Transformatörlerde meydana gelen kayıplar diğer elektrik makinalarında olduğu gibi ısı şeklinde ortaya çıkarlar. Transformatörlerde meydana gelene kayıplar üçe ayrılırlar:
• Transformatörün demir (nüve) kayıpları
• Transformatörün bakır kayıpları
• Kaçak akı kayıpları

Kaçak akı kayıpları, hem primer hem hem de sekonder sargıda meydana gelen kaçak akıların sebep olduğu kayıplardır. Transformatörün primer ve sekonder sargılarında meydana gelen akının bir kısmı devresini havadan tamamlar. Akının bir kısmı devresini havadan tamamladığı için primer sargıdan sekonder sargıya güç transfer eden etkin manyetik akı azalmış olur. Kaçak akılardan dolayı primer sargıdan sekonder sargıya transfer edilen güçte meydana gelen kayıp kaçak akı kaybı olarak adlandırılır. Kaçak akı kaybı, diğer kayıplarla karşılaştırıldığında küçük değerli  lduğundan dolayı pratik hesaplamalarda, genelde, ihmal edilir.

Transformatörlerde verim diğer elektrik makinalarında olduğu gibi alınan güç verilen güce oranlanarak hesaplanır. Alınan güç transformatörün sekonder tarafındaki gücü, verilen güç ise transformatörün primer tarafındaki gücü veya giriş gücüdür. Giriş gücü transformatörün şebekeden çektiği güç, çıkış gücü ise transformatöre bağlanan yükün gücüdür.

Transformatörlerde verim iki şekilde bulunabilir: Birinci yöntemle verimi bulmak için boş-çalışma deneyi ve kısa-devre deneylerinden yararlanılır. Boş çalışma deneyi ile nüve kayıpları kısa devre deneyi ile de bakır kayıpları bulunarak transformatörün önce kayıpları sonra verimi hesaplanır. İkinci yöntemde ise verimi bulmak için transformatörün girişine ve çıkışına birer wattmetre bağlanarak giriş gücü (verilen güç) ve çıkış gücü (alınan güç) direkt ölçülerek verim hesaplanır.

Transformatörlerin çıkış gerilimlerini sabit tutmak için gerilim ayarı mekanizmaları kullanılır. Gerilim ayarı transformatörün sarım sayısı değiştirilerek yapılır. Bu amaçla sargılardan birçok uç çıkartılır. Uçları çıkarılan bu sargılara gerilim ayar bobinleri denir. İhtiyaca göre gerilim azaltmak veya yükseltmek için ihtiyaca göre ayar sargıları devreye alınır veya devreden çıkarılır.

Elektrik enerjisinin üretilmesi, iletilmesi ve dağıtılması üç fazlı alternatif akım sistemiyle gerçekleştirilmektedir. Elektrik enerjisinin üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde gerilimi yükseltmek veya düşürmek için üç fazlı transformatörler kullanılır.

Oto transformatörlerinin çalışma prensibinin normal transformatörlerin çalışma prensibinden farkı yoktur ancak primer ve sekonder sargıları ortak bir sargıdan oluşmaktadır. Oto transformatörleri iki sargılı normal transformatörlerde olduğu gibi gerilimi düşürmek veya yükseltmek için kullanılabilir. Primer ve sekonder sargı aynı olduğundan dolay daha az sargı iletkeni kullanılır ve dolayısıyla nüveleri de daha küçük olur.

Yüksek değerli akım ve gerilimleri doğrudan ölçü aletleriyle ölçmek hem zor hem de emniyet açısından tehlikelidir. Yüksek akımların ampermetre üzerinden direkt olarak geçirilmesi ampermetrenin fiziksel olarak çok büyük olmasını gerekli kılar. Yine yüksek gerilimleri direkt olarak voltmetre ile ölçülmesi emniyet açısından tehlikeli olabilir. Bu amaçla yüksek gerilim ve büyük akımların ölçülmesi için ölçü transformatörleri kullanılır. Ölçü transformatörleri ölçülecek olan büyük akım ve yüksek gerilimleri ölçü aletleriyle emniyetli bir şekilde ölçülebilecek seviyeye indirirler. Ölçü transformatörlerinin primer devresine ölçülecek yüksek gerilim veya büyük akım devresine bağlanır. Sekonder devrelerine de Ampermetre, Voltmetre, Wattmetre, çeşitli röleler veya kontrol devreleri bağlanır. İki çeşit ölçü transformatörü bulunur: akım transformatörleri ve gerilim transformatörleri.

Paralel bağlı transformatörlerin paralel bağlanma şartları aşağıda verilmektedir.
• Paralel bağlanacak transformatörlerin boştaki primer ve sekonder gerilimleri birbirine eşit
olmalıdır.
• Paralel bağlanacak transformatörlerin güçleri birbirine eşit veya güçleri arasındaki oran 1/3 ‘ten
küçük olmamalıdır.
• Paralel bağlanacak transformatörlerin anma yüklerindeki kısa devre gerilimleri birbirine eşit
olmalı veya kısa devre gerilimleri arasındaki fark %10’dan fazla olmamalıdır.
• Paralel bağlanacak transformatörlerin sargı polariteleri birbiriyle uyumlu olmalıdır. Aynı
polaritedeki uçlar birbirine bağlanmalıdır.
• Eğer paralel bağlanacak transformatörler üç fazlı ise bağlantı grupları da aynı olmalıdır.

Transformatörler yük altında çalıştıkları zaman demir ve bakır kayıplarından dolayı ısınırlar. Meydana gelen ısının transformatörün nüve ve sargılarına zarar verecek dereceye ulaşmaması gerekir. Meydana gelen ısının belli bir değerin altında tutulması için artan ısının transformatörden uzaklaştırılması gerekir. Isının uzaklaştırılması için de transformatörün iyi bir soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Soğutma sisteminde havalı, sulu ve yağlı sistemler kullanılır.

Yüksek gerilimlerin ölçülmesinde gerilim transformatörleri kullanılır. Gerilim transformatörleri yapısal olarak iki sargılı düşürücü transformatörler gibi çalışır. Primer tarafı ölçülmesi istenen yüksek gerilim şebekesine bağlanır, sekonder tarafı da ölçü aletine (voltmetre, röleler, kontrol devreleri ve benzeri) bağlanır. Gerilim transformatörlerin anma güçleri çok küçüktür. Transformatör sadece sekonder sargıya bağlanacak ölçü aletiyle yüklenir. Gerilim transformatörlerinin primer sargısı yüksek gerilime bağlı olduğundan mutlaka kısa devrelere karşı korunmalıdır. Sekonder sargıya bağlanacak ölçü aletlerinin iç dirençleri normalde yüksek olduğundan sekonder sargının açık kalması durumda sekonder sargıda çok yüksek gerilimler oluşmaz ve tehlike oluşturmaz.