Transformatör (Trafo) Nedir

Elektrik trafoları

Transformatör (trafo) nedir?

Alternatif akım üreten elektrik santralleri çok zaman taş kömürü veya linyit havzalarının baraj ve akarsuların bulunduğu yere inşa edilir. Üretilen bu enerjinin kilometrelerce uzaktaki şehir, kasaba ve köylere iletilmesi gerekir. Elektrik enerjisinin en ucuz ve en az kayıpla iletilmesine yardım eden makineler vardır. Bu makinalar elektrik trafolarıdır.

Bir transformatör şu amaçları gerçekleştirir:

• Gerilim değişmesinde gücü sabit tutar. (Çok az kayıp vardır).
• Alternatif akımın gerilimini düşürmeye, yükseltmeye yarar.

Trafo Ne İşe Yarar?

• Bir elektrik akımının şiddettini, gerilimini veya şeklini değiştirmeye yarayan cihazdır.
• Transformatör, iki veya daha fazla elektrik devresini elektromanyetik indüksiyonla birbirine bağlayan bir elektrik aletidir.
• Bir elektrik devresinden diğer elektrik devresine, enerjiyi elektromanyetik alan yardımı ile iletir.
• Transformatörler elektrik enerjisinin belirli gücünde gerilim ve akım değerlerinde istenilen değişimi yapan makinalardır.

Statik transformatör, bir devrenin elektrik enerjisinin, gerilim ve akım şiddetindeki değişme ile bir başka enerjiye dönüşmesini sağlayan elektromanyetik bir cihazdır. Statik transformatör denmesinin nedeni bu transformatörün hareketli hiçbir parçası olmadığı içindir.

Enerjinin uzak yerlere, bölgelere iletilmesi için yüksek gerilim kullanmak gerekir. Çünkü alçak gerilimle enerji iletiminde akım çok yüksek değer alır. Bu akımı taşıyacak iletken kesitinin büyümesi, tesis için maliyet fiyatı pahalı olur. Elektrik enerjisinin iletiminde gerilim ne kadar yüksek olursa hatlardan geçen akım o oranda küçülür. Hatlarda oluşan kayıplar azalır. Gerilimi yükseltmek veya düşürmek için transformatör kullanılır. Ondan sonra abonelere dağıtılır. Trafo merkezlerinin sağladığı enerjinin sürekliliği ve enerji verimliliği için belirli periyotlarda transformatör kontrol yapılarak trafo yağı ve trafo bakım yapılmalıdır.

Transformatör Yapısı

Transformatörler, birbirine yakın konan iki sargıdan meydana gelir. Bu iki sargı ince demir levhaların üzerine sarılmışsa, demir çekirdekli trafo, eğer demirsiz plastik tüp gibi bir çekirdeğe sarılmışsa buna hava çekirdekli trafo denir.

Bir transformatörü meydana getiren bölümler;

1. Saç göbek (Çekirdek)
2. Bobinler

Saç göbek: 

Sac göbek silusyumlu sac levhalardan yapılır. Sac levhalar arasında fuko akımları doğmaması için levhalar birbiri ile yalıtılır. Sac göbek trafolarda magnetik devreyi meydana getirir. Sac levhaların az veya fazlalığına göre transformatör gücü değişir.

Bobinler: 

Trafoların üzerinde genel olarak iki bağımsız bobin grubu bulunur. Alternatif akımın uygulandığı bobin grubuna primer (birinci sargı), alternatif akımın alındığı gruba sekonder (ikinci sargı) denir.

Trafo sarımı yapılırken primer ve sekonder sargılarında elektriksel bir bağlantı olmaz. Trafoların primer ve sekonder sargıları birbirlerinden elektriksel olarak izole edildikleri gibi nüveden de izole edilir. Yalıtkan madde olarak; çeşitli yağlar, pres bant, kâğıt, pertinaks, mika, bazı plastik maddeler, pamuk reçine, ağaç takozlar vb gibi maddeler kullanılmaktadır.

Bir trafonun çıkış sargısı, giriş sargılarından daha fazla sayıdaysa çıkış voltajı büyür. Akım şiddeti ise, bu oranın tersiyle değişir. Transformatör yardımı ile gerilimi yükseltmek mümkün olduğu gibi, düşürmek de mümkündür. Transformatör gücü manyetik alanın değişimine bağlı olduğu için, bu alan demir çekirdeği ısıtır.  Bu nedenden demir çekirdekli  transformatör, genel olarak 50 hertz ‘ lik, düşük frekanslarda kullanılır. Demir çekirdeğin tek döküm olarak değil, ince levhalar şeklinde yapılması değişen manyetik alan kaynaklı dairesel Eddy akımlarından kaynaklanacak olan fazla ısınmayı önlemek içindir. Dairesel dönülebilir alan büyüdükçe bu akımlar artar. Bu nedenden dolayı, radyo frekanslarında çalışan transformatörler hava çekirdeklidir.

Transformatörün yapısı ;

Transformatör Çalışma Prensibi

Transformatörün primer sargısına alternatif bir gerilim uygulandığı zaman, bu sargı değişken bir manyetik alan meydana getirir. Manyetik alan, üstünde sekonder sargısının da olduğu manyetik demir nüve üstünden devresini tamamlar. Primere uygulanan alternatif gerilimin zamana bağlı olarak her yön ve şiddeti değiştiği için meydana getirdiği manyetik alanında her an yönü ve şiddeti değiştiren bu  alanın sekonder sargılarını kesmesi ile primer ve sekonder sargıları arasında elektriki hiçbir bağ olmadığı halde sekonder sargılarıda bir gerilim indüklenmiş olur. Transformatör çalışma prensibi bu ilkeye dayanır.

Birinci bobine uygulanan voltaj sabit olursa, diğer bobinde herhangi bir voltaj oluşmaz. Ancak doğru akım devamlı olarak kapatılır ve açılırsa manyetik alan değişerek bir çıkış oluşur. Otomobillerde bulunan radyo alıcısındaki vakum tüp bu prensiple çalışır.

Eğer her iki sargı tek bir demir çekirdeğe konur ve voltaj uygulanırsa, demir çekirdek manyetize olur. Demir, uygun manyetik özelliklerinden dolayı tercih edilir ve bu suretle manyetik alan konsantre edilmiş olur. Bu yöntemle enerji kayıpları en düşük düzeyde kalır, verim % 97-99,9 gibi değerlere ulaşabilir.

Trafo Çeşitleri

Transformatör çeşitleri; gerilimi yükseltme ve düşürme diye ikiye ayrılır;

1. Yükseltici transformatör
2. Düşürücü transformatör

Bunlardan başka trafo çeşitleri; akım trafosu, gerilim trafosu, izalasyon trafosu, ölçü trafoları, güç transformatörleri, kuru tip trafo, yağlı tip tarfo, hermetik tip trafo gibi bunların detaylı açıklamalarını ilgili sayfalarımızda bulabilirsiniz.

Transformatör Kullanım Amacı

Genellikle transformatörler bir elektrik devresinde voltajı düşürmek veya akımı düşürmek, veya voltaj veya akımı yükseltmek için kullanılır. Elektronikte ise esas olarak farklı devrelerdeki yükselticileri birleştirmek, doğru akım dalgalarını daha yüksek bir değerdeki alternatif akıma çevirmek ve sadece belirli frekansları iletmek için kullanılır. İzalosyon amaçlı ve bazen de kondansatör ve dirençler ile birlikte kullanılır. Ölçü aletlerinde özel transformatörler kullanılır.

Transformatörler, elektromanyetik indüksiyonla enerjiyi bir devreden diğer devreye geçirirler. Voltajı değiştirmek, özellikle elektrik enerjisinin, elde edildiği yerden uzak mesafelere nakli sırasında gereklidir. Gerilimi, örneğin 230.000 volt yada daha fazlaya yükselterek iletim sırasında gerekli olan kabloların ağırlığını oldukça azaltır. Böylece diğer alt yapılarda da ekonomi sağlanır.

Güçlü transformatörler kullanım sırasında ısındıkları için yağlı soğutma düzenekleri ile soğutulurlar. Bu tür transformatörler, Buchholz rölesi denilen güvenlik donanımları yardımı ile aşırı ısınmanın zararlı etkilerine karşı korunurlar.

Kullanım Alanları

Transformatörler,  teknik alanlarda veya evlerde çok kullanılmaktadır. Evlerdeki kapı zilli, radyo, teyp gibi araçların çalışması için 220 voltluk gerilimi 8-10 volta düşüren alçaltıcı transformatörlere gerek vardır. Demircilerin kaynak işlerinde kullandıkları transformatörlerin ikinci (sekonder) sargısı, birinci (primer) sargıya göre tel sayısı az olan transformatörlerdir. Sekonder sargı sayısı elde edilen akım şiddeti çok yüksek olduğu için ısı enerjisiyle (W=i2Rt) demir çiviyi eritilebilir yada iki metal levhayı birbirine kaynak yapılabilir.

Eğer sekonder sargı tek sarımdan meydana gelmiş oluklu bir sargıysa, sekonder sargıda çok yüksek akım şiddeti elde edilir. Bu sarım içine konulan kurşun ve kalay gibi metal parçaları ergitir. İndüksiyon fırınlarının temeli bu uygulamadan meydana gelir. Jeneratörlerden alınan elektrik enerjisinin uzak yerlere trafo direkleri ile nakli sırasında iletim hattında ısı şeklindeki kayıpları azaltmak için hatlardaki akım şiddetinin küçük, gerilimin büyük olması gerekir. ( iletkendeki kayıp güç i2.R den bulunur. ) Bu durumda jeneratörden alınan 220 voltluk gerilim , önce değiştirme oranı 10.000/500=20 olan bir transformatör ile yükseltilir. Böylece gerilim yeniden 220 volta düşürülür.

Transformatörlerde Dönüştürme Oranı

Transformatörler de gerilim, sarım sayısı, akı arasındaki bağıntılar: Bir trafoda gerilim ile sarım sayısı, gerilim ve akım şiddeti arasında birer bağıntı vardır.

Gerilim ile sarım sayısı arasındaki bağıntı: 

Bir transformatör de bobinlerin uçları arasındaki gerilimlerin birbirine oranı, sarım sayıları arasındaki orana eşittir. Yani;

Primer gerilimi / Sekonder gerilimi = Primer sarım sayısı / Sekonder sarım sayısı

U₁ / U₂ = n₁ / n₂   formülü ile bellidir. Burada n₁ / n₂ ye transformatörün değiştirme oranı denir.

Gerilim ile akım şiddeti arasındaki bağıntı:

Bir transformatör de bobinlerin uçları arasındaki gerilimlerin birbirine oranı, bobinlerdeki akımların terslerinin oranına eşittir. Yani;

Primer gerilimi / Sekonder gerilimi = Sekonder akımı / Primer akımı

U₁ / U₂ =  I₂ / I₁    formülü ile bellidir. Bu bağıntılara göre gerilimi arttıracak olursak bobinlerdeki sarım sayısı artar. Fakat buna karşılık akımda bir azalma olur. Bobinin sarım sayısını azaltacak olursak gerilim düşer. Fakat buna karşılık bir defa da  akım artar. Bu iki bağıntının birinci tarafları eşit olduğu için bağıntıyı;

U₁ / U₂ = n₁ / n₂ = I₂  / I₁   şeklinde de yazabiliriz.

Güç Transformatörleri

Bir transformatör de primere verilen güç ile sekonderden alınan güç bellidir.  Primerin gücü = U₁ . I₁ . cosφ ise sekonderin gücü = U₂ . I₂ .cosφ dir. Güçlerin eşit olacağı düşünülürse; U₁ . I₁ . cosφ= U₂ . I₂. Cosφ bağıntısı elde edilir. Verimleri en büyük makineler transformatörlerdir. Verimleri hemen hemen bire yakındır. %98’ e kadar verimleri yükselir. Bazı kayıplar dolayısıyla çok az bir enerji kaybı vardır.

Trafo Kayıpları

Bütün elektrik makinelerinde olduğu gibi elektik trafoları kayıpları vardır. Bu trafo kayıpları ikiye ayrılır:

1. Demir kayıpları (nüve kaybı)
2. Bakır kayıpları

Transformatörlerin döner parçaları olmadığından sürtünme ve rüzgar kayıpları gibi bir takım kayıpları yoktur. Demir kayıpları boşta çalışma deneyi ile bakır kayıpları ise kısa devre deneyi ile bulunur.

Demir Kayıpları:

Transformatörler de boşta çalışmada oluşan kayıplara demir kayıpları denir. Demir kayıpları histeresiz ve fuko (Fukolt) kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır. Nüve kayıpları bütün çalışma, yüklerde sabittir. Bu kayıplar trafonun boş çalışma deneyi ile bulunur.

• Histeresiz kayıpları: Nüve moleküllerinin frekansa bağlı olarak yön değiştirmesi sırasında birbirleri ile sürtünmeleri sonucu ısı şeklinde ortaya çıkar. Histeresiz kayıpları da demire silisyum katarak azaltılır.
• Fuko kayıpları: Nüve üzerine indüklenen akımların neden olduğu, ısı şeklinde ortaya çıkan kayıplara fuko akımları (eddy akımı) denir. Fuko kayıpları nüveyi ince saçlardan yapmak suretiyle minimuma indirir.

Bakır Kayıpları:

Primer–Sekonder sargılarında geçirilen akımların oluşturduğu kayıplardır. Sargı dirençlerinden dolayı meydana gelir. Sargılardan geçen akımın artmasıyla artarlar. Bakır kayıpları sargıların ısınması ile meydana gelmektedir. Bu kayıplar kısa devre deneyi ile bulunur. Trafonun sekonderine bir yük bağlandığı zaman hem primerden hemde sekonderden bir akım geçer. Geçen akımlar primerde I₁² .  R₁ ve sekonderde I₂². R₂ şeklinde bakır kayıpları meydana gelir. Bakır kayıpları 1000 kVA’ nın altındaki güçlerde, transformatörün görünür gücünün % 3’ ü ile %4 kadardır. Trafolarda verim alınan gücün, verilen güce oranıdır. Veya çıkış gücün giriş gücüne oranına verim denir.

Piyasada birçok trafo fabrikaları ve trafo markaları vardır. Transformatör imalatı yapan, trafo üreticilerinden birkaçı;

Best trafo, Eka transformatör, Bese trafo, Eltaş transformatör, Maksan, ABB trafo, Siemens vb gibi. Bu firmaların trafo fiyatları değişmektedir.