Ünite 3: Güç Transformatörleri

Giriş

Elektrik enerjisinin en önemli özelliklerinden biri de üretildiği santrallerden çok uzaktaki bölgelere kolayca taşınabilir olmasıdır. Bu taşıma işleminin verimli bir şekilde yapılabilmesi için gerilimin efektif değerinin yeteri kadar büyük olması gerekir. Bilindiği gibi elektrik enerjisi, iki farklı tipte olmak üzere; doğru akım (DC) ya da alternatif akım (AC) olarak üretilir. Doğru akımla üretimde, yüksek gerilimli enerji iletimi son zamanlarda büyük önem kazanmıştır fakat şu an için istenilen seviyelere gelememiştir. Teknoloji her geçen gün ilerlediğinden dolayı, enerji sistemlerinde doğru akım kullanımı ilerleyen zamanlarda üst seviyelere çıkacaktır. Buna karşılık; alternatif akım tipindeki elektrik enerjisinin gerilimi, iletimde kullanılmak için, transformatörler vasıtasıyla alçaltılıp yükseltildiğinden günümüzde elektrik enerjisinin alternatif akım ile iletilip kullanılması daha fazla yaygındır. Transformatör, ideal olarak kabul edildiğinde (üzerinde oluşan kayıplar ihmal edildiğinde) alternatif akımın gücünü ve frekansını değiştirmeden gerilim değerini istenilen seviyelere yükseltmeye veya alçaltmaya yarayan bir çeşit elektrik makinesidir. Elektrik enerjisinin alternatif akımla taşınmasında transformatörün önemli rolü vardır ve enerji sistemlerinin yapı taşlarından biridir. Santrallerde jeneratörler yardımı ile 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 mertebelerindedir. Bu gerilimler; enerjinin çok uzak bölgelere taşınabilmesini sağlayacak kadar yüksek olmadığından gerilimin yükseltilmesi ancak transformatör ile gerçekleştirilir. Gerilim yükseltme ve alçaltma işlemi için temelde iki farklı transformatör tipi vardır.

Bunlar;

Alçaltıcı Transformatörler: Birincil (primer) sargısına uygulanan gerilim değerini ikincil (sekonder) sargısından daha düşük bir değer olarak elde ettiğimiz transformatörlere alçaltıcı tip transformatörler adı verilir.

Yükseltici Transformatörler: Birincil sargısına uygulanan gerilim değerini ikincil sargısından daha yüksek bir değer olarak elde ettiğimiz transformatörlere yükseltici tip transformatörler adı verilir. Transformatörler çeşitli özellikleri dikkate alınarak sınıflandırılır:

1. Manyetik nüvenin yapılış şekline göre:

• Çekirdek tipi
• b) Mantel tipi
• Dağıtılmış nüve tipi

2. Faz sayısına göre:

• Birincil ve ikincil sargı da aynı sayı da faza sahip olanlar
• Birincil ve ikincil sargı da farklı sayı da faza sahip olanlar

3. Soğutma şekline göre:

• Kuru transformatörler
• Yağlı transformatörler

4. Kuruluş yerlerine göre

• İç mekanlarda kullanılan tip
• Açık havada kullanılan tip

5. Sargı tiplerine göre

• Silindirik sargı
• Dilimli sargı

6. Çalışma prensibine göre

• Sabit akımlı
• Sabit gerilimli

7. Sargı durumlarına göre

• Yalıtılmış sargılı
• Oto-transformatörler

8. Soğutucu cinsine göre

• Hava ile soğutulan
• Yağ ile soğutulan
• Su ile soğutulan

9. Kullanılış amaçlarına göre

• Güç transformatörleri
• Ölçü transformatörleri
• Çeşitli aygıt ve makinalarda kullanılan diğer transformatörler

İdeal Transformatör

Transformatörün sinüssel uyartımda ve kararlı durumda çalıştığı kabul edilmektedir. (s:69, Şekil 3.1); sargılar üstündeki fazör gerilimleri E1 ve E2 , N1 adet sargısı olan birincil sargıya ait I1 fazör akımı ve N2 adet sargıya sahip olan ikincil sargıdan çıkan I2 fazör akımı ile gösterilmektedir. Ayrıca çekirdekte oluşan ?c fazör akısı ve Hc fazör manyetik alan yoğunluğu ile gösterilmektedir. Çekirdeğin kesit alanı Ac , ortalama manyetik alan uzunluğu cl ve sabit kabul edilen manyetik geçirgenliği µc olarak ifade edilmektedir. İdeal bir transformatör için aşağıdakiler kabul edilir: Sargıların direnci sıfırdır ve bu yüzden sargılardaki I2 R kayıplarının değeri sıfır olur. Çekirdek geçirgenliği µc sonsuzdur; bu da sıfır çekirdek relüktansına (manyetik direnç) karşılık gelmektedir. Kaçak akı yok olarak kabul edilir; tüm akı, çekirdek ve sargılarda sınırlandırılmıştır. Çekirdek kaybı yok.

Tek-Faz Pratik Transformatör Eşdeğer Devresi

Şekil 3.5’te ideal transformatörden farklı olarak pratik tekfaz çift-sargılı transformatörün eşdeğer devresi gösterilmektedir. Pratik transformatörün ideal transformatörden farkları aşağıda açıklanmıştır. Pratik transformatörde;

1. Sargılarda direnç vardır.
2. µc çekirdek geçirgenliği sonludur.
3. Manyetik akı tamamen çekirdek ile sınırlı değildir.
4. Çekirdek üzerinde gerçek ve reaktif güç kayıpları vardır.

Birim Sistem

Güç sistemlerinde kullanılan voltaj, akım, güç ve empedans gibi nicelikler genellikle birim sistem ile ya da bu niceliklerin baz değerlerinin yüzdesiyle ifade edilirler. Baz değer; aynı zamanda taban değer yada referans değer olarak da adlandırılır. Örneğin, baz gerilimi 20 kV olarak belirtilmişse ve uygulanan gerilim 18 kV ise bu gerilim değeri; birim sistemde, (18/20)=0,9 birim ya da %90 olarak ifade edilir. Güç sistemlerindeki matematiksel hesaplamalar gerçek niceliklerden ziyade birim niceliklerle yapılır. Birim sistemin bir avantajı; uygun baz nicelikleri seçilerek transformatör eşdeğer devresindeki matematiksel işlemler basitleştirilebilir. Birim sistemde ifade edilen voltaj, akım, harici empedans ve admitans değerleri; transformatörün bir sargısından diğer sargısına yönlendirildiğinde değişmediğinden ideal transformatör sargıları görmezden gelinebilir. Bu yüzden birim sistem kullanımı; yüzlerce transformatörü içeren orta büyüklükteki güç sistemlerinde büyük bir avantaj sağlayabilir. Birim sistem; transformatörün bir sargısından diğerine yönlendirirken ciddi hesaplama hataları yapılmasına izin vermez. Birim sistemin diğer bir avantajı da; cihazların anma değerleri baz değer olarak kullanıldığında, benzer tip elektrikli cihazların birim empedansları birbirine yakın dar bir sayısal aralık içinde olur. Bu yüzden, birim empedans verilerinde hata var ise bu hatalar, bilgi sahibi birisi tarafından birim miktarlarıyla hızla kontrol edilebilir. Buna ek olarak, üreticiler genellikle etiket değerlerini; transformatör ve makinelerin empedanslarının birim değerleri ya da yüzdeleriyle belirtirler. Birim değerler aşağıdaki gibi hesaplanabilir;

Birim değer = Gerçek değer / Baz değer

Burada gerçek değer, sayının gerçek birimdeki değeridir. Baz değer ise gerçek değer ile aynı birime sahiptir, bu yüzden birim değer boyutsuzdur. Ayrıca, baz değer her zaman gerçek bir sayıdır. Bu nedenle birim değerin faz açısıyla gerçek değerin faz açısı aynıdır. Güç sistemlerinde bir noktada iki bağımsız baz değeri rasgele seçilebilir. Genellikle baz gerilimi VbazLV ve baz kompleks gücü Sbaz1? ; tek-faz devreler ya da üç-faz devrelerin tek fazı için seçilir. Birim sistemde elektrik kanunlarının geçerli olabilmesi için diğer baz değerleri için (s:79 Denklem 3.30-33)’deki ilişkiler kullanılmalıdır. (s:79 Denklem 3.30-33) denklemlerinde üç-fazlı devreler için kullanılan; “LN” ve “1? ” indisleri “hat nötr arası ” ve “faz-başına veya tek-faz” terimlerini ifade etmektedir. Ayrıca bu eşitlikler, indisler ihmal edildiğinde, tek-fazlı devreler için de geçerlidir. Hesaplamalarda baz değerler için aşağıdaki iki kural kabul edilir:

1. S _baz1? değeri, ilgili güç sisteminin tamamında aynıdır.
2. Transformatörün herhangi bir tarafındaki baz gerilim oranı, transformatörün anma gerilim oranlarıyla aynı seçilir.

Bu iki kural uygulandığında, transformatörün bir tarafından diğer tarafına yönlendirme yapılırken kullanılan birim empedans değeri değişmeden kalır.

Oto-Transformatörler

Tek-faz çift sargılı bir transformatör (s:88 Şekil 3.14(a))’da iki ayrı sargısıyla, aynı transformatör (s:88 Şekil 3.14(b))’de ise iki sargısı seri bağlanmış olarak gösterilmiştir. (s:88 Şekil 3.14(b))’deki bağlantı şekline oto-transformatör denir. (s:88 Şekil 3.14(a))’deki bildiğimiz genel tek-faz transformatörde; çift sargı ortak çekirdek akısı üzerinden manyetik olarak birleştirilmiştir. Oto-transformatörde ise, Şekil 3.14(b), sargılar hem elektriksel hem de manyetik olarak birleştirilmiştir. Ototransformatörlerin birim kaçak empedansları bilinen genel transformatörlerden daha küçüktür;

Bunun sonucunda hem daha küçük seri-gerilim düşümü oluşur (avantaj) hem de daha yüksek kısa-devre akımları (dezavantaj) oluşur. Oto-transformatörlerin ayrıca daha düşük birim kayıpları (daha yüksek verim), daha düşük uyarma akımları ve sarım oranı çok büyük değilse daha az maliyetleri vardır. Sargıların elektriksel bağlantıları; kısa süreli aşırı gerilimlerin oto-transformatörden kolayca geçmelerine izin verir.

Eş değer devre elemanları bulunurken transformatörlere iki farklı test uygulanır. Bunlar; kısa-devre ve açık-devre testleridir. Güç sistemlerinde kullanılan gerilim, akım, güç ve empedans gibi nicelikler genellikle birim sistem ile ya da bu niceliklerin baz değerlerinin yüzdesiyle ifade edilirler.

Birim sistemin bir avantajı; uygun baz nicelikleri seçilerek transformatör eşdeğer devresindeki matematiksel işlemler basitleştirilebilir. Transformatör tek-fazlı olmalarının yanında üç-fazlı olarak da üretilirler.

Üç-fazlı sistemlerde bu tip transformatörlerin ciddi faydası vardır. Ayrıca Oto-transformatörde ise, sargılar hem elektriksel hem de manyetik olarak birleştirilmiştir. Ototransformatörlerin birim kaçak empedansları bilinen genel transformatörlerden daha küçüktür. Bunun sonucunda hem daha küçük seri-gerilim düşümü¨ oluşur (avantaj) hem de daha yüksek kısa-devre akımları (dezavantaj) oluşur.