Trafolar veya transformatörler elektrik enerjisinin taşınmasında ve dağıtılmasında kullanılan, enerji çeşidini ve frekansını değiştirmeden genliğini değiştiren, elektrik makinesine veya akım ve gerilimi değiştirmeye yarayan statik elektrik makinelerine elektrik trafosu denir.
Elektrik Trafosunun Amacı
- Elektrik trafosu gerilim değişmesinde gücü sabit tutar.
- Elektrik trafosu alternatif akımın frekansını ve gücünü değiştirmeden gerilimini düşürmeye ve yükseltmeye yarar.
- Elektrik trafoları DC akımla üretilen elektrik enerjisi ile ilişkisi yoktur. Elektrik trafoları alternatif akım ile alakalıdır.
- Ancak yapılabilecek bir elektronik trafo da DC akımla elektrik enerjisi üretilebilir ve yük altında gerilim değişikliği istenilen değerlerde daha ucuz ve daha kolay yapılabilir.
Trafolar faz sayısına göre bir fazlı, üç fazlı ve çok fazlı trafo olarak sınıflandırılırlar. Elektrik trafosu soğutma sistemi, hava, su veya yağ ile olmaktadır.
Ayrıca elektrik transformatörü yapısına göre; çekirdek tipi, mantel tipi ve spiral çekirdek tipi olarak adlandırılır. Sarılış biçimine göre; silindirik sargılı ve dilimli sargılı olarak adlandırılır. Sargı durumuna göre; iki sargılı veya oto trafo diye iki gruba ayrılır. Trafo fiyatları da yapısına ve kalitesine göre değişir.
a) Alçaltıcı Transformatör
Giriş (primer) sargısına uygulanan gerilimi, çıkış (sekonder) sargısından daha düşük bir gerilim elde edilir. Bu tip trafolara alçaltıcı transformatör denir. Örneğin; 154 kV/30 kV, 30kV/380- 220- 110-24-12 gibi. Alçaltıcı trafolar, punta kaynağı ve elektrik kaynağı yapmada, demir, kalay, kurşun gibi elementleri eritme işleminde kullanılır.
b) Yükseltici Transformatör
Giriş (primer) sargısına uygulanan gerilimi, çıkış (sekonder) sargısından daha yüksek bir gerilim aldığımızda, bu tip trafolara yükseltici trafo denir. Bu trafoların büyük bir bölümü elektrik santrallerinde üretilen gerilimi yüksek gerilime çevirmede kullanılır. Hidroelektrik santrallerinde üretilen alternatif akım 154.000 volt gerilime yükseltici trafo kullanılarak yükseltilir. Enerjinin kullanılacağı yerlere hava hatları ile iletimi sağlanır. Motorlarda kullanılan indüksiyon bobinleri aynı zamanda yüksek gerilim trafosudur.
Transformatörlerin hareket eden parçalar olmadığı için rüzgar ve sürtünme kayıpları olmaz. Bundan dolayı verimleri yüksek elektrik makineleridir. Verim %99 a kadar çıkar. Güçleri ise en düşük amperden en yüksek mega volt amperlere (MVA) kadar olur. Çıkış gerilimi birkaç volttan kilovolt (kV) lara kadar çıkar.
Elektrik Trafolarının Önemi
- Elektrik enerjisinin önemli özelliklerinden biri de üretildiği yerden uzak mesafelere kolayca taşınmasıdır.
- Taşımanın verimli olması için gerilim yeteri kadar yüksek olmalıdır.
- Elektrik santrallerinde jeneratörler yardımıyla üretilen gerilim alternatif gerilimdir.
- Jeneratörlerde üretilecek gerilim uzak mesafelere taşınacak değerlerde değildir.
- Jeneratör çıkış gerilimleri 0,4-3, 3-6, 3-10, 6-13-14, 7-15,8 ve 35 kv mertebesindedir.
- Bu değerler yetersiz olduğundan gerilim trafolarla yükseltilir.
- Ayrıca uzak mesafelere taşınan elektrik enerjisini abonelerin kullanımına sunulabilmesi için elektrik enerjisini dönüştürücü trafolar vasıtasıyla orta gerilim ve alçak gerilime dönüştürülür.
Transformatör Yapısı
Trafo firmaları tarafından trafo imalatı yapılırken ince özel silisyumlu saclar kullanılır. Manyetik kapalı bir gövdeden oluşur. Gövde üzerine yalıtılmış iletkenler sarılarak basit iki sargıdan meydana gelir. Bu sargılar primer ve sekonder adını alır.
Hangi tip trafo olursa olsun trafoların nüvesi primer ve sekonderi silindirik ve dilimli sargılardan oluşur. Sargı tipi; yalıtma, soğutma, gerilim ve akım şiddetine bağlı olarak değişir. Yalıtkanlık ve kesitler belirlenerek sargının nüveden yalıtılması için bazı yöntemler uygulanır. Trafonun primer ve sekonderi değişik gerilimlerde olduğundan sargılarda, nüveye karşı yalıtılır. Yalıtılmış sargıların, sarım katları arasına tekrar yalıtkanlık konulur. Genellikle yalıtkanlar kağıt, mika, presbant, çeşitli yağlar, pamuk reçine, ağaç takoz kullanılır.
Bir trafo iki kısımdan meydana gelir;
1) Saç Göbek (Çekirdek)
2) Bobinler
Trafo Nasıl Çalışır?
Trafonun primer sargına uygulanan alternatif bir akım değişken bir manyetik alan meydana getirir. Sekonder sargısı üzerinden manyetik akı demir nüve üzerinden devreyi oluşturur. Primer sargı üzerindeki gerilimin heran yönü ve şiddeti zamana göre değişir. Bundan dolayı oluşturduğu manyetik alanın yönü ve şiddetide değişmektedir. Primer ile sekonder arasında elektriki bir bağ olmamasına rağmen, sekonder sargısı üzerinde bir gerilim oluşur. Bu oluşan gerilim endüklenmesi primerin yön ve şiddetine göre değişkendir.
Trafo Kayıpları
Elektrik makinelerin de olduğu gibi, trafolarda da kayıplar vardır. Bu kayıplar şunlardır;
1) Demir Kayıpları
2) Bakır Kayıpları
Trafolarda hareket eden parçalar olmadığı için rüzgar ve sürtünme kayıpları olmaz. Bundan dolayı verimleri en yüksek elektrik makineleridir.
1) Demir kayıpları
Trafolarda boşta çalışır iken meydana gelen kayıplara demir kayıpları denir. Bunlar;
- Histeresiz Kayıplar: Frekansa bağlı olarak yön değiştiren nüve molekülleri sürtünme esnasında ısı biçiminde meydana çıkar.
- Fuko Kayıpları: Demir nüvede, endüklenmeden meydana gelen akımın, ısı biçiminde ortaya çıkardığı kayıplardır.
2) Bakır kayıpları
Sargıların ısınması ile oluşur. Trafonun sekonderine yük bağlandığında primerden ve sekonderden bir akım geçer. Geçmekte olan bu akımlar, bakır kayıplarını oluşturur. Primerden; I1².R1ve sekonderden I2². R2 formülü ile bakır kayıplarını belirtebiliriz. Bakır kayıpları 1000 kVA nın altında ki güçlerde, trafonun % 3, %4 kadar olur.
Trafoda Dönüştürme Oranı
Trafolarda sarım sayısı ile gerilim, akım ile de gerilim arasında bağıntı vardır. Bu bağıntıları şöyle açıklayabiliriz.
a) Gerilim ile sarım sayısı arasındaki bağıntı
Bir trafoda bobin uçları arasındaki gerilimlerin birbirine oranı, sarım sayıları arasındaki orana eşit olur. Şöyle ki;
[Primer Gerilimi/ Seconder Gerilimi]=[Primer Sarım Sayısı/ Seconder Sarım Sayısı] yani
[U1 / U2]=[N1 / N2] olarak belirlenir. N1 / N2 oranına transformatörün değiştirme oranı da denir.
b) Gerilim ile akım şiddeti arasındaki bağıntı
Trafolarda bobinlerin uçları aralarındaki gerilimlerin birbirine oranı, bobinlerdeki akımların tersinin oranına eşittir. Şöyle ki;
[Primer Gerilimi/ Seconder Gerilimi]=[Seconder Akımı/ Primer Akımı] bu da [U1 / U2] = [I2 / I1] formülü ile bellidir.
Bağıntılara göre gerilimi arttırdığımız zaman bobinlerdeki sarım sayısı artar, buna karşılık akımda bir azalma meydana gelir. Bobinin sarım sayısını düşürürsek gerilimde düşer. Buna karşılık bu kez de akım artmış olur. Bu iki bağıntının birinci tarafları eşit olduğundan;
[U1 / U2]=[N1 / N2]=[I2 / I1] bağıntıyı bu şekilde yazabiliriz.
Trafolarda Güç; Bir trafoda primere verilen ve sekonderden alınan güç bellidir.
Primer gücü=U1.İ1.cosφ ise,
Sekonderin gücü=U2 . İ2 . cosφ dir. Burada güçler eşittir.
U1 . İ1 . cosφ= U2 . İ2. cosφ bağıntısı elde edilir.
Verimi en yüksek makineler trafolardır. %99 yakın verimleri vardır. Bazı kayıplardan dolayı çok az bir enerji kayıbı vardır.
Trafolarda Kademe Değiştirme
- TEİAŞ’ ın indirici merkezlerinde ya da barajlarda kullanılan güç trafoları ile elektrik iletimini merkez şalt sahalarına, oradan da dağıtım transformatörleri sayesinde abonelere dağıtılır. Alıcı trafolarının primer uçlarına gelen gerilim değeri bellidir. Kullanıcılar tarafından değiştirilemez .
- Ancak sistemde bazen gerilim seviyesinin düşmesi sırasında trafonun sekonder ucuna bağlı olan alıcıların sıkıntı yaşamaması için sekonder geriliminin sabit tutmak gerekir. Bundan dolayı trafolarda kademe değiştirmeye gerek duyulur.
Elektrik trafoların da kademe değiştirme iki şekilde yapılır. Manuel veya otomatik.
Manuel Kademe Değiştirme
- Manuel kademe değiştirme yük altında gerçekleştirilemez.
- Sistemin enerjisi kesilir. Trafo yüksüz duruma getirilir. Pano içerisinde bulunan bakır bara topraklanır. Elektriki bütün önlemler alınır. Trafo istenen kademeye manuel olarak getirilir.
- Manuel beş kademeden meydana gelir.
- Otomatik trafoya göre fiyatı ucuz olması bir avantajdır.
- Dezavantajı ise sistemi enerjisinin kesilmesidir.
Otomatik Kademe Değiştirme
- Otomatik kademe değişimi trafonun yük altında otomatik kademe değiştirmesidir.
- Otomatik kesimi sağlayan otomatik regüle fiyatları çok pahalı olduğu için bu bir dezavantajdır.
- Trafo yük altında çalışmasına devam ederken kademe değiştirilir.