Transformatörler

2. Bölüm:
Transformatörler
Doç. Dr. Ersan KABALCI
1
2. Bölüm:
Transformatörler
2.1. Transformatörlere Giriş
2
Transformatörlere Giriş
Transformatör, alternatif akım elektrik gücünü bir gerilim
seviyesinden başka bir gerilim seviyesine değiştirir. Bu işlem
manyetik endüksiyon yoluyla gerçekleştirilir.
Bir transformatör, ortak bir ferromanyetik nüve üzerine sarılan iki
veya daha fazla sayıdaki sargıdan oluşur.
Sargılar arasındaki bağı nüvede oluşturulan
sağlamaktadır.
manyetik akı
Yüksek manyetik bağ ve yüksek akı yoğunluğu sağlamak için
ferromanyetik nüve kullanılan transformatöre demir nüveli
transformatör denilir ve yüksek güç uygulamalarında kullanılır.
3
Transformatörlere Giriş
Transformatör sargısının birisi AA güç kaynağına bağlanırken
diğer 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 gerilim
seviyesine değiştirirken sağladığı gerçek güç değeri (ideal
durumda) etkilenmez.
 Bir transformatör bir devrenin gerilim seviyesini yükseltir ise,
akımı azaltmak durumundadır. Çünkü transformatörün giriş gücü
ile çıkış gücü eşit olmalıdır.
4
Çekirdek ve Sargılar
Primer 1
Düşük gerilim sargıları
Primer 1
Primer 2
Düşük gerilim sargıları
Primer 2

/2
nüve
/2
nüve
Sekonder 1
Sekonder 1
Sekonder 2
Yüksek gerilim sargıları
Sekonder 2
Yüksek gerilim sargıları
Çekirdek tipi nüve
Ceket (mantel) tipi nüve
5
Üst kat
Alt kat
Çekirdek ve Sargılar
Nüve kayıplarını azaltmak için manyetik nüve ince ve silisli lamine saclardan
paketlenerek oluşturulur.
Silikon çelik saclar yaklaşık olarak %3 silikon, %97 çelik içerirler.
 Birkaç yüz saykılın altındaki frekanslarda çalışan transformatörlerde kullanılan silisli
çelik sacların kalınlığı 0.35-0.6mm aralığındadır.
L biçimli veya U ve I biçimli saclar çekirdek tipi yapıda kullanılırken E ve I biçimli
saclar ceket tipi yapıda kullanılır.
Parçalı yapılı nüvelerde sargılar nüveden ayrı olarak hazırlanır ve nüveye kolayca
yerleştirilebilir.
6
Çekirdek ve Sargılar
elektriksel temsili
İki sargılı bir transformatorun elektriksel temsili
KULLANILMA KADEMELERİ
Transformatorlar
G
14.4kV
Üretim
154kV
380kV
35kV
400V Yükler
(alıcılar)
İletim ve dağıtım
Transformator ile değişik gerilim seviyelerinde güç iletimi
7
Transformatör Çeşitleri
Bir transformatörün çıkış gerilimi giriş geriliminden yüksek ise
yükseltici, düşük ise düşürücü transformatör olarak adlandırılır.
İletim transformatörleri
Ara istasyon transformatörleri
Dağıtım transformatörleri
Güç (kaynağı) transformatörleri
Ototransformatörler
Yalıtım (izolasyon) transformatörleri
Ses (audio) frekansı transformatörleri
Kontrol transformatörleri
Ölçü transformatörleri
8
Transformatör Çeşitleri
İletim transformatörleri büyük güçlüdürler (MVA) ve çok yüksek
gerilimin uzaklara iletilmesinde gerilim yükseltici olarak kullanılırlar.
Ara istasyon transformatörleri ise gerilimi orta seviyelere
düşürmek için kullanılırlar.
Dağıtım transformatörleri ise orta seviyelerdeki gerilimleri daha alt
orta seviyelere düşürmek için kullanılırlar ve büyük güçlü
transformatörlerdir.
Güç (kaynağı) transformatörleri elektronik devrelerde kullanılır ve
birçok farklı tip ve uygulamaları vardır.
Ototransformatörleri, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlı
gerilim sağlamak için kullanılır.
9
Transformatör Çeşitleri
Yalıtım (izolasyon) transformatörleri, giriş ve çıkış gerilimleri eşit
olan transformatörlerdir. Yalıtım transformatörü doğru akımın yalıtımı
amacıyla kullanılır. Primere uygulanan gerilim hem doğru akım hem de
alternatif akım bileşenlerini bulunduruyorsa, sekonder gerilimi sadece
alternatif akım bileşeninden oluşacaktır.
Yani, doğru akım bileşeni çıkışa aktarılmayacaktır. Yalıtım
transformatörleri, primer ve sekonder (yük) arasında elektrik yalıtımını
sağlamak amacıyla da kullanılırlar. Yalıtım transformatörleri, küçük
güçlüdürler ve normalde elektronik devreler ile topraklama hattı
arasında olaşabilecek gürültüyü yalıtmak için de kullanılırlar.
Ses (audio) frekansı transformatörleri, ses frekansı (20kHz'e
kadar) yükseltici devresi çıkış veya girişinde veya yükselticiler arasında
empedans eşlemesi için kullanılır.
10
Transformatör Çeşitleri
Kontrol transformatörleri, düşük güç veya VA değerlerinde sabit
gerilim veya sabit akım gerekli devrelerde, elektrik sisteminde değişik
noktalarda gerilimin
genliği ve fazında istenen düzenlemeleri
sağlamak için kullanılır.
Ölçü tipi transformatörler, sistemin yüksek enerjili
aletleri ve elemanları (ampermetre, voltmetre, vatmetre
çeşitli koruma amaçlı kullanılan aletler) arasında
bağlantının sağlanması ve yüksek gerilim ve akımların
kullanılır.
11
kısmı ile ölçü
ve röleler gibi
emniyetli bir
izlenmesi için
2. Bölüm:
Transformatörler
2.2. Tek Fazlı Transformatörler
12
2.2. Tek Fazlı Transformatörler
Transformatörlerin gerçek özellik ve davranışlarını daha kolay
anlamak için ilk aşamada ideal transformatör üzerinde durulacaktır.
 İdeal transformatör durumunda modelleme ve analiz çalışmaları
oldukça kolaydır. Daha sonra gerçek transformatörlerin modeli, yaklaşık
eşdeğer devreleri, performans kriterleri olan gerilim regülasyonu ve
verim, eşdeğer devre parametrelerinin tespiti, bir-fazlı transformatörlerin
birbiriyle bağlantı şekilleri ve üç-sargılı transformatörler üzerinde
durulacaktır.
Burada temel olarak 50Hz kaynaktan beslenen güç transformatörlerine
ağırlık verilecektir. Bu durumda kapasitif etkiler ihmal edilebilir. Ancak,
yüksek-frekans uygulamalarında kapasitif etki dikkate alınmak
zorundadır.
13
2.2.1. İdeal Transformatörler
Transformatörlerin ideal sayılabilmesi için yapılan genel varsayımlar:
Nüve kayıplarını oluşturan histerisis ve eddy akımı kayıpları ihmal
edilmiştir.
Kaçak akılar ihmal edilmiştir. Yani, bütün akı nüve içinde sınırlıdır ve
her iki sargıyı da keser.
Akıyı meydana getirmek için gerekli uyartım akımı ihmal edilmiştir.
Yani nüvenin geçirgenliği çok yüksektir.
 Sargıların dirençleri ihmal edilmiştir.
14
2.2.1. İdeal Transformatörler

i
a+

+
N1
N2
e1
v1
c
e2
-
-
b
d
İdeal transformator
15
v2
2.2.1. İdeal Transformatörler
Primer sargı zamanla değişen v1 gerilim kaynağına bağlanır. Bunun
sonucunda gerilimin genliğine, frekansına ve primer sargı sarım sayısına
bağlı olarak devreden geçen primer akımı tarafından üretilen ve zamanla
değişen bir manyetik akı nüvede dolaşır.
Nüvedeki değişken akı primer sargısında bir gerilim endükler ve bu
gerilim primere uygulanan gerilime zıttır. İdeal transformatörde primer
sargı gerilimi ile endüklenen gerilimin polariteleri dikkate alındığında,
d d1
v1  e1  N 1

dt
dt
Sargı dirençleri ihmal edildiği için zıt emk, uygulanan gerilime eşit
olur.
Burada N1 primer sargının sarım sayısını, 1 ise primer sargı akısını temsil eder.
16
2.2.1. İdeal Transformatör- Yüksüz
Zamanla değişen nüve akısı tarafından kesilen
sekonder sargıda endüklenen emk;
d d 2
v 2  e2  N 2

dt
dt

i
a+

Burada N2 sekonder sargı sarım sayısı,
2 sekonder sargı akısıdır.
+
N1
N2
e1
v1
c
e2
-
-
b
d
Primer ve sekonder gerilimleri oranlanırsa;
İdeal transformator-Yüksüz
v1 e1 N1


v 2 e2 N 2
Bu denklem, primerde ve sekonderde endüklenen gerilimlerin oranının primer ve sekonder
sarım sayılarının oranına eşit olduğunu göstermektedir.
N1
a
N2
a sarım oranı veya dönüştürme oranı olarak bilinmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır.
17
v2
2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü
Sekonder sargı uçlarına bir yük bağlanırsa,
sekonderden
i2
a+
genliği yük empedansına bağlıdır. Ancak
sekonder akımının ürettiği manyetik akının

i1
yük akımı geçer. Akımın
+
N1

N2
v1 e1
yönü nüve akısını zayıflatma ve primerde
e2
v2
yük
-
-
b
endüklenen gerilimi azaltma eğilimindedir.
c
d
Yük bağlı ideal transformator
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.
18
2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü
Kayıplar ihmal edilirse, transformatörün giriş gücü ile çıkış gücü eşit olur.

i1
i2
a+
+
N1

c
N2
v1 e1
-
b
e2
v2
yük
-
d
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.
19
2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü
Transformatörler geniş bir sınıflandırmada,
Yükseltici
veya
Düşürücü
tipler olarak adlandırılabilirler.
Yükseltici transformatörde:
Düşürücü transformatörde:
N1 / N 2  1
N1 / N 2  1
v2  v1
v2  v1
20
2.2.1. İdeal Transformatör- Yüklü
Primere uygulanan gerilimin sinüsoidal değişiminin neticesinde nüvede oluşan
manyetik alan da ideal durumda sinüsoidal olacaktır.
Primer emk'nin etkin değeri
 (t )   m sin t
E1 
e1(t )  N1 m cos t
e1 (t )  2 f N 1 m sin(t  90 o )
2
2
N1 m f
E1  4.44 N1 m f
Endüklenen gerilim:
•Sarım sayısına
•Akı genliğine
•Kaynak frekansına
orantılıdır.
e1 (t )  N1 m cos t
e1(t )  2 E1 sin(t  90 o )
e1 ( t )  2 E1 cos t
21
2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite
Transformatör polaritesi: Bir transformatörün ikiden fazla sargısı olabilir ve
gerilim seviyesini yükseltmek için bu sargıların kendi aralarında seri
bağlantılarına, akım seviyelerini yükseltmek için ise paralel bağlantılarına gerek
olabilir. 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 noktasız
terminalden daha yüksektir. Polarite ile her bir sargıda endüklenen gerilimin diğer
sargılara göre bağıl yönü de ifade edilmektedir.

i1
i2
a+
+
N1

c
N2
v1 e1
e2
v2
-
-
b
d
22
yük
2.2.1. İdeal Transformatör- Polarite
+
+
V1
V2
-
-
V
Transformatör sargılarının polariteleri (a) çıkış ve giriş gerilimleri aynı fazdadır (b) çıkış
gerilimi giriş geriliminden 180o faz farklıdır, (c) polarite deneyi
23
2.2.2. Gerçek Transformatörler
İdeal transformatör modeli sadece gerilim, akım ve empedans
transformasyonlarını dikkate aldığı için çok basittir. Bu kısımda daha
gerçekçi bir transformatör modeli çıkarılacaktır.
Primer ve sekonder sargılarının küçük de olsa dirençleri vardır ve
sargılara seri bağlı olarak temsil edilirler. Sargı dirençlerinin ilave
edilmesi neticesinde; terminal gerilimi endüklenen gerilime eşit
olmayacak, transformatör giriş gücü çıkış gücünden daha büyük olacak
ve verim %100’den küçük olacaktır.
24
2.2.2. Gerçek Transformatörler
m
R1

v1(t)
L1
v1a (t )
v1a (t )
i2(t)
i1(t)
e1(t)
l2
l1
d1
 N1
dt
e2(t)
L2
R2
v2 a (t )
v2 a ( t )
yük
d2
 N2
dt
e2 (t )  v2 a (t )  R2i2 (t )
v1(t )  v1a (t )  R1i1(t )
25
2.2.2. Gerçek Transformatörler
1 akısı primer sargısını keser. Eğer nüvenin geçirgenliği sonsuz kabul edilir ise,
relüktans (manyetik direnç) sıfırdır ve böylece sadece demir nüve yolundan devresini
tamamlar. İdeal durumdan farklı olarak 1 'in çok küçük bir oranı hava aralığından
devresini tamamlar (kaçak l1), sekonder sargısını kesmez ve L1 kaçak endüktansı veya X1
kaçak reaktansı ile temsil edilir. Geri kalan akı m hem primer hem sekonder sargılarını
kesen demir nüvedeki ortak akıdır.
1  l1   m
v1(t )
dl1
dm
 R1i1(t )  N1
 N1
dt
dt
d l1
di1
L1
 N1
dt
dt
v 1 ( t )  R 1 i1 ( t )
di 1
 L1
 e1 ( t )
dt
26
d m
e1  N1
dt
2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım devresi
m
 m Rm  N1i1  N 2 i2
Rm
 m Rm  i N 1
+
F1=N1 i1
N 1i  N 1i1  N 2 i2
+
F2=N2 i2
N2
i1  i 
i2
N1
i1  i  i
'
2
Primer akımı, uyartım akımı ile primere aktarılmış sekonder
akımının toplamı olarak ifade edilebilir.
27
2.2.2. Gerçek Transformatörler- Uyartım akımı
Uyartım akımı nüvede kullanılan manyetik malzemenin histerisis
eğrisinden dolayı sinüsoidal değildir. Ancak burada uyartım
akımının sadece temel dalga bileşeni dikkate alınarak işlemler
yapılacaktır.
Ic
E1
qc
Im
If
f
Uyartım akımının fazör diyagramı
28
I1
+
2.2.2. Gerçek Transformatörler- Eşdeğer devre
I2
I
jX1
R1
V1
Gc
+
+
E1
Bm
-
-
jX2
+
R2
E2
V2
-
-
ideal tramsformator
N1
N2
(a)
Bir transformatorun elektrik devresi
I1
+
R1
I’2
I
jX1
JX’2
Im
Ic
V1
+
N
X   1
 N2
'
2
Gc
Bm
E1
2
N
R   1
 N2
'
2
N2
I2
N1
+
R’2

 X 2

I 2' 
2

 R2

V’2
V2' 
-
-
Bir transformatorun T- eşdeğer devresi
29
(b)
-
N1
V2
N2
2.2.2. Gerçek Transformatörler- Performans
Belirli bir uygulama için uygun transformatörün seçimi önemli performans
ölçütlerinin değerlendirilmesini gerektirir.
Önemli performans ölçütleri:
• Gerilim regülasyonu: Sabit bir güç katsayısında yükün sıfırdan anma
değerine kadar değişmesi sonucu sekonder gerilimindeki değişimdir.
V2  yüksüz   V2 anma 
%VR 
100
V2 anma 
• Verim: Transformatörün çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır.
P2

P1
P2  V2 I L cos  L

P1  P2  Pl
V2 I L cos  L
 
V2 I L cos  L  Pc  I L2 Req
30
 
Pl  Pc  I L2 Req
2.2.3. Tek Fazlı Transformatörlerin Bağlantıları
Bir fazlı transformatörler çeşitli şekillerde bağlanabilirler. Burada, iki adet
bir fazlı (A ve B olarak) transformatörün seri ve paralel bağlantıları üzerinde
durulacaktır.
Seri bağlantı: İki transformatörün primerleri kendi aralarında seri bağlanırken
sekonderleri de kendi aralarında seri bağlanabilirler. Böylece sargı
gerilimlerinin toplamı veya farkı olan giriş ve çıkış gerilimleri elde edilebilir.
Paralel bağlantı: Transformatörlerin paralel bağlanma nedenlerinden
önemlileri:
 Artan güç ihtiyacının karşılanması,
 Aşırı yüklenmelerden dolayı aşırı ısınmadan sakınmak,
 En yüksek enerji verimliliğinde çalışmak olarak belirtilebilir.
Transformator B
(a)
2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Seri Bağlantı
Transformator A
V1
V2A
V2
V1
V2
Z2B
Z1B
V1B
V1B
V2B
(a)
N1A : N2A
Y2
V2B
N1B : N2B
Transformator B
Z1A
Z2A
Y1
V1A
V2A
V1A
N1A : N2A
Z1A
(b)
Z2A
• V1 gerilimi V1A ve V1B gerilimlerinin toplamına, V2 ise V2A ve V2B gerilimlerinin toplamına
eşittir.
Y
V
V
• Primer
akımı her iki transformatörün
primer sargılarından, sekonder akımı da her iki
transformatörün sekonder sargılarından geçerler. Sargılardan geçen akımın
V
V
transformatörlerin
anma Zdeğerlerini geçmemesine dikkat edilmelidir.
Z
• Bu
anma akımları birbirinden farklı olursa, toplam anma gücü azaltılmış olur.
V bağlantıda
Y
1
1A
2A
2
1
2B
1B
1B
2
V2B
2.2.3. Transformatörlerin Bağlantıları- Paralel Bağlantı
Paralel bağlanacak transformatörlerde
belirli şartların yerine getirilmesi gerekir:
• Gerilim oranları aynı olmalıdır. Böylece
transformatörler arasında sirkülasyon
akımının 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 durumlarda
gerçekleştirilebilir,
pratikte
tamamen
gerçekleştirilemez.
1
1
1


Z eq Z A Z B
V1
V   I L Z L
a
IA 
I L Z eq
ZA
V

ZA
IL  IA  IB
IB 
I L Z eq
ZB

V
ZB
2. Bölüm:
Transformatörler
2.3. Ototransformatörler
34
2.3. Ototransformatörler
Standart
transformatörler
iki
sargılı
olmalarına
karşılık
ototransformatörler sadece bir sargılıdırlar ve bu sargının orta ucu dışarı
çıkartılır.
Bir-fazlı veya üç-fazlı olarak üretilmektedirler.
Ototransformatörler, genellikle düşük güç uygulamalarında ayarlı
gerilim sağlamak için kullanılırlar. Endüstride; asenkron motorlara düşük
gerilimle yol verme, üç-fazlı sistemlerde nötr oluşturma, küçük
motorların hız kontrolu, gerilimin yükseltilmesi veya düşürülmesi
kullanılma yerlerine örnek olarak verilebilir.
35
2.3. Ototransformatörler
Ototransformatörün temel ilkesi, sargıların elektriksel olarak iç bağlantılarına izin
verilmesidir. Burada, Şekilde verilen ve bir demir nüve üzerine sarılmış N sarımlı bir
ototransformatör sargısı üzerinde durulacaktır. b ara ucunun dışarı çıkarıldığı ve a-b
uçları arasında kalan kısımda N1 sarım sayısının, b-c arasında kalan kısımda ise N2
sarım sayısının olduğu kabul edilecektir.
36
2.3. Ototransformatörler
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 ortak
olduğundan “ortak sargı” olarak adlandırılır. Ancak giriş uçları a-c ile çıkış uçları
b-c birbirlerinden elektriksel olarak yalıtılmamıştır. Çünkü c ucu hem giriş hem
de çıkış uçlarına ortaktır.
Bu basit sargı, açıkça bir ototransformatörü meydana getirmektedir. Bu
düzenleme sonucu elde edilen ototransformatöre, iki-sargılı transformatör
kuralları uygulanabilecektir.
37
2.3. Ototransformatörler
a-c giriş uçlarına bir alternatif akım (AA) kaynağı Vi bağlanır. Kaynaktan çekilen
If uyartım akımı nüvede bir AA akısı fm meydana getirir. Manyetik akı hem N1
hem de N2 sargılarını keser. Böylece bu sargılarda, sarım sayıları ile orantılı
gerilimler endüklenir. Uyartım akımı küçük olduğu için genellikle ihmal edilir ve
böylece ideal ototransformatör kuralları uygulanabilir.
Primerinde N1, sekonderinde N2 sarım sayısı olan bir ototransformator-Gerilim düşürücü
38
2. Bölüm:
Transformatörler
2.4. Ölçüm Transformatörleri
39
2.4. Ölçüm Transformatörleri
GİRİŞ
Ölçü transformatörleri, bir güç sisteminde
yüksek gerilim ve akımların standart düşük
ölçme aralıklı voltmetreler ve ampermetreler
ile ölçülmesi ve izlenmesi amacıyla tasarlanır.
Ölçü transformatörlerinin primer ve sekonderleri arasında elektriksel yalıtımın
bulunması, bu ölçmeler yapılırken aynı zamanda gerekli emniyeti de sağlarlar.
Bunun için ölçü transformatörleri, yüksek gerilim ve akımları standart ölçü
aletlerinin ölçme aralığına uygun seviyelere düşürürler. Ölçü transformatörleri
genellikle gerilim ve akım transformatörleri olarak sınıflandırılabilir.
40
2.4. Ölçüm Transformatörleri
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 sabit
olarak bilinir ve yükle çok az değişir. Ayrıca, sekonder gerilimi primer gerilimi ile tam
olarak aynı fazda sayılabilir.
• Sekonder gerilimin anma değeri genellikle 115V veya 120V'dur ve iletim hattına paralel
olarak bağlanan primerin anma gerilim değerine bağlı değildir. Bu gerilim seviyesi standart
ölçü aletleri ve rölelerin sekonder uçlarına bağlanmasını sağlar.
41
2.4. Ölçüm Transformatörleri
İletim hattı
Gerilim transformatörlerinin yapısı klasik
14.4kV
yük
transformatörlere benzerdir. Fakat, primer
primer
ile sekonder arasındaki yalıtım, yüksek
gerilim hattı gerilimine dayanacak şekilde
olmalıdır. Bu amaçla sekonder sargının bir
C
sekonder
ucu topraklanır.
V
C
yayılmış
kapasitans
voltmetre
0-115 V
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.
42
2.4. Ölçüm Transformatörleri
Gerilim transformatörlerinin anma
Primer ucu izolatörün en
güçleri genellikle 500VA 'den azdır.
üstündeki hata bağlanır. Diğer
ucu topraklanır.
Yalıtım için kullanılan hacim, bakır
Sekonder iki adet 115 V
veya çelik hacminden çok daha
sargıdan meydana gelir.
büyüktür.
Hassasiyet: %0.3
Yüksek gerilim hatlarına bağlanan
Toplam yükseklik: 2565mm
gerilim transformatörleri daima hat-
Porselen izolatör yüksekliği:
1880mm
nötr (faz) gerilimini ölçerler. Faz
Yağ: 250 litre
gerilimlerinin ölçülmesi, iki yerine
bir
adet
porselen
kullanılmasını
primerin
bir
Ağırlık : 740 kg
izolatörün
sağlar.
Çünkü
ucu
toprağa
bağlanmıştır.
7000VA, 80.5kV, 50/60Hz gerilim (potansiyel) transformatoru
43
2.4. Ölçüm Transformatörleri
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.
44
2.4. Ölçüm Transformatörleri
• Akım transformatörünün primer sargısı hat ile
seri olarak bağlanır.
• Sekonder akımı, primer akımının anma
değerine bağlı olmaksızın, genellikle 5
amperdir.
• Şekilde ampermetreye paralel bağlı kısa devre
anahtarı
ampermetrenin
sökülmesi
gerektiğinde sekonder sargı uçlarını kısa devre
etmek amacıyla konulmuştur.
• Akım transformatörleri ölçme ve sistem
koruması için kullanıldıklarından güçleri
küçüktür
ve
genellikle
15VA-200VA
aralığındadır.
I1 N 2

a
I 2 N1
N1
I2 
I1
N2
45
İletim hattı
14.4kV
I1
yük
primer
C
C
yayılmış
kapasitans
sekonder
Kısa devre anahtarı,
ampermetre
sökülmeden önce
kapatılmalıdır
I2
A
ampermetre
0-5 A
2.4. Ölçüm Transformatörleri
Yüksek
gerilim
ölçülürken
iletim
güvenlik
hatlarında
nedeni
ile
akım
akım
transformatörleri muhakkak kullanılmalıdır.
Primer
ve
sekonder
sargılar
arasındaki
yalıtım, yüksek gerilim hattının faz gerilimi
ve
gerilim
dalgalanmalarına
dayanacak
şekilde yapılmalıdır.
Akım
transformatörünün
maksimum
gerilim
çalışabileceği
etiketinde
gösterilir.
Gerilim transformatöründeki aynı sebepten,
akım
transformatörünün
da
sekonder
sargısının bir ucu topraklanmalıdır.
500VA, 100A/5A, 50Hz bir akım transformatörü. Bir yüksek gerilim istasyonunda 230kV
hat gerilimine göre yalıtılmış ve % 0.6 hassasiyetli bir akım transformatörünün bir faza
bağlantısı
46
2.4. Ölçüm Transformatörleri
Hat akımı 100A'i geçtiği zaman bazen
toroidal akım transformatörleri kullanılır.
Transformatör nüvesi bir yüzük gibi
daireseldir, şerit saçlardan daire şeklinde
yapılır.
Sekonder sargı bu nüve üzerine sarılır.
Primer ise genellikle sadece bir iletkenden
meydana gelir. Bu iletken sekonderin
ortasından (içerisinden) geçer.
Primer iletkenin pozisyonu (merkezde
olması veya olmaması) çok önemli değildir.
Eğer sekonderde N sarım sayısı var ise,
dönüştürme oranı da N olur. Örnek:
1000A/5A
bir
toroidal
akım
transformatörünün sekonder sargı sarım
sayısı 1000/5 = 200 olur.
47
2.4. Ölçüm Transformatörleri
Yüksek hat gerilimi, gerilim
transformatörü ile düşürülür.
Voltmetre ve elektrik sayacının
gerilim
bobini
gerilim
transformatörünün
sekonder
uçlarına paralel bağlanır.
Yüksek hat akımı bir akım
transformatörü ile düşürülür.
Ampermetre ve elektrik sayacının
akım
bobini
akım
transformatörünün
sekonder
uçlarına seri olarak bağlanır.
48
2. Bölüm:
Transformatörler
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
49
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
GİRİŞ
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, üç-fazlı sistemlerin
ve transformatörlerin çalışmasını ve kullanılmasını anlamayı gerekli kılmaktadır.
Dengeli üç-fazlı gerilim sistemi, gerilim genlikleri ve frekansları aynı, fakat fazları
birbirinden 120o farklı olan üç ayrı fazdan meydana gelir.
50
2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı
Y-bağlı 3-fazlı sistem ve fazör diyagramı
Van  V 0 o
Vbn  V   120
o
Vcn  V   240 o
 V 120 o
Vab  Van  Vnb
Vab  3 V 30 o
Vab  Van  Vbn
Vbc  3 V   90 o
Van  Vbn  Vcn  V
Vca  3 V 150 o
51
VL  3 V
2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Y-bağlı
I L  I
Y-bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat gerilimleri arasındaki genlik ve faz ilişkileri
52
2.5. Üç Fazlı Transformatörler - Δ-bağlı
Vca
Iaa'
a
a'
Iab
Ica
c



Iaa'
Ibc
Ibb'
b
Icc'
Ibb'
Ica
30o
Iba
Referans hattı
Iab
b'
Vab
c'
Icc'
-bağlı 3-fazlı sistemde faz ve hat akımları arasındaki genlik ve faz ilişkileri
'
I aa
 I ca  I ab
I ab  I  0 o
I bc  I    120
I ca  I    120
o
o
'
I aa
 I  (1  120 o  10 o )
'
I aa
 3 I    150 o
'
I bb
 3 I    30 o
I  3 I   90
'
cc
53
o
I L  3 I
VL  V
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Güç Bağıntıları
ia (t )  2 I  sin(t   )
v a (t )  2 V sin(t )
vb (t )  2 V sin(t  120 )
ib (t )  2 I  sin(t    120 o )
vc (t )  2 V sin(t  240 )
ic (t )  2 I  sin(t    240 o )
o
o
Faz büyüklükleri ile güç denklemi:
Hat büyüklükleri ile güç denklemi:
P3 (t )  3V I cos 
P3 (t )  3 VL I L cos 
Q3 (t )  3V I sin 
Q3 (t )  3 VL I L sin 
S3 (t )  3V I
S3 (t )  3 VL I L
Toplam görünür güç:
S 3  P3  jQ3
54
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
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.
55
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
ÜÇ-FAZ TRANSFORMATOR BANKASI
Üç-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 olarak
bağlamaktır. Bu eski yaklaşımın avantajı ise herhangi bir arıza durumunda ilgili
transformatörün değiştirilebilme imkanının olmasıdır.
NP1
NS1
NP3
NS2
NP2
NS3
Üç adet birbirinden bağımsız bir-fazlı transformatordan
oluşan 3-faz transformator bankası
56
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
3-FAZLI TRANSFORMATOR
İkinci yaklaşım ise şekilde gösterildiği
gibi ortak bir nüve üzerine üç-faz
sargılarını sarmak olmuştur.
NP1
NS1
NP2
NS2
NP3
NS3
Çekirdek (a) tipi nüve üzerine
sarılmış
üç-fazlı
bir
transformator
NP3
NP2
NP1
NS1
NS2
NP2
NS2
NS3
NP3
NS3
(b)
Mantel tipi nüve üzerine sarılmış üç-fazlı bir transformator
57
2.5. Üç Fazlı Transformatörler
3-FAZLI TRANSFORMATOR
Üç-fazlı
transformatörde
ortak
nüve
kullanılmasının nedeni şöyle açıklanabilir. Üstteki
şekilde gösterilen üç adet tek-fazlı çekirdek tipi
transformatörü
dikkate
alınız. Basitleştirmek
amacıyla sadece primer sargıları gösterilmiştir.
Dengeli üç-fazlı sinüzoidal bir gerilim sargılara
uygulanırsa, üretilecek faz akıları da sinüzoidal
ve dengeli olacaktır. Bu akıları taşıyan üç nüve
bacağı Şekildeki gibi birleştirilirse, birleşen
(ortak) bacaktaki net akı sıfır olacak ve bu
3
gerekçeyle ortak bacak alttaki şekilde gösterildiği
gibi kaldırılabilecektir.
1
1   2  3  0
2
58
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantı
Üç-fazlı transformatörlerin primerleri ve sekonderleri yıldız (Y) veya üçgen () şeklinde
birbirlerinden bağımsız olarak bağlanabilirler. Üç-faz transformatör ünitesini (bankasını)
dört ayrı şekilde bağlamak mümkündür.
1.
2.
3.
4.
Yıldız-Yıldız (Y-Y)
Yıldız-Üçgen (Y-)
Üçgen-Yıldız (-Y)
Üçgen-Üçgen (-)
Bu dört bağlantıdan herhangi birinin gerçekleştirildiği üç-faz transformatör ünitesini
analiz etmek için ünitedeki tek bir transformatörün incelenmesi yeterlidir. Bankadaki
herhangi bir transformatör daha önce çalışılan bir-fazlı transformatör davranışının
tamamen aynısını gösterir. Üç-faz transformatörün empedans, gerilim regülasyonu,
verim ve benzer diğer hesaplamaları, daha önce bir-faz transformatör için geliştirilen
aynı teknikler ile bir-faz esasına göre yapılır.
59
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı
VP  VLP / 3
ILS = IS
ILP = IP
a
a'
b
b'
V LS  3 VS
VLP
VLS
VS
VP
c
c'
3 VP
VLP

a
VLS
3 VS
a
+
+
NP1
VLP
b
I LP  I P I LS  I S
NS1
VS
VP
_
b'
NS2
c
c'
NP3
60
VLS
_
NP2
a'
NS3
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı
Y-Y bağlantı çok önemli iki problemi meydana getirir:
1. Transformatör devresine bağlı yükler dengesiz ise, transformatör faz
gerilimleri ciddi ölçüde dengesiz hale gelir.
2. Üçüncü (3.) harmonik gerilimleri üretmesidir.
Hem dengesizlik hem de 3. harmonik problemlerini gidermek için kullanılan
iki 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.
61
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı
(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
62
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Yıldız-Yıldız (Y-Y) bağlantı
(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.
63
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
I LP  IS
Yıldız-Üçgen (Y-) bağlantı
a
VP  VLP / 3
VS
VS=VLS
b'
c'
VLP
VP
c
a
b
+
+
NP1
VLP
3 VP
VLP

VLS
VS
VLP
 3a
VLS
a'
b
VLS  VS
VP
I LS  3 I S
IS
a
I LP  I P
NS1
VP
VS
_
c'
NP3
64
a'
NS2
c
I LS  3I S
VLS
_
NP2
b'
NS3
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
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.
65
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı
a'
I LP  3I P
a
VP  VLP
VLP=VP
VLS  3VS
I LS  I S
I P
VLS
b
VS
c
b'
c'
VLP

VLS
a
VP
VLP
b
I LP  3 I P
VP
NS1
VS
b'
NS2
c'
c
NP3
66
VLS
_
_
NP2
I LS  I S
a'
+
NP1
3 VS
VLP
a

VLS
3
+
NS3
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
Üçgen-Yıldız (-Y) bağlantı
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 4telli güç sistemi üretilir.
Faz
gerilimleri
hat
gerilimlerinden
3
kat
daha
düşük
olduğundan
transformator 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.
-Y bağlantı gerilim yükseltmek için kullanılır.
67
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
I LP  3I P
Üçgen-Üçgen ( -) bağlantı
I S
I LS  3I S
a'
a
I P
VLS=VS
VLP=VP
VLS  VS
VP
VS
VP  VLP
b
b'
c'
c
VLP

a
VLS
a
+
+
NP1
VLP
I LP  3 I P
b
I LS  3I S
VP
NS1
VS
b'
NS2
c'
c
NP3
68
VLS
_
_
NP2
a'
NS3
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Bağlantılar
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 Vbağlantı denir.
69
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler
Transformatör sargılarının bağlantıları yapılmadan önce bilinmesi gereken konulardan birisi
de harmoniklerdir.
Uyartım akımı harmonikleri: Transformatörlerde manyetik nüvenin doğrusal olmayan BH eğrisinden dolayı uyartım akımı sinüsoaidal değildir ve harmonikler içerir. Bir-faz için
uyartım akımı harmonikleri:
i  i 1  i 2  i 3  ......
i  I m1 cos t  I m 2 cos 2t  I m 3 cos 3t  ....
Burada, Im1, Im2 ve Im3 sırasıyla temel, ikinci ve üçüncü harmoniklerin tepe değerleridir.
Üç-faza ait 2. harmoniklerin vektöryel toplamı:
i2  I m 2 cos 2t  I m 2 cos 2(t  120 o )  I m 2 cos 2(t  240 o )  0
Üç-fazlı transformatörün sargılarının bağlanış şekline bakılmaksızın 2. harmoniklerinin veya
çift sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı sıfır olmaktadır.
70
2.5. Üç Fazlı Transformatörlerde Harmonikler
Üç-fazlı bağlantıda hat akımlarını oluşturan faz akımlarının içeriğinde uyartım akımlarından
kaynaklanan tek sayılı harmonikler vardır. Tek sayılı harmoniklerinin vektöryel toplamı 2.
harmoniklerde olduğu gibi sıfır olmamaktadır.
i3  I m 3 cos 3t  I m 3 cos 3(t  120 o )  I m 3 cos 3(t  240 o )
i3  3I m 3 cos 3t
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 dikkate
alınmalıdır.
71
KAYNAKLAR
1. Prof. Dr. Güngör BAL, “Doğru Akım Makinaları ve Sürücüleri”, Seçkin
Yayınevi, 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
72