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.[2rl ] 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.[2rl ] 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