Trafo ( Transformatör ) nedir ?
Transformatör ( Trafo ) nedir? sorusunu elektrik enerjisini elektromanyetik indüksiyon yoluyla bir devreden diğerine aktaran pasif bir elektrikli cihaz olarak yanıtlamak mümkündür. Trafo ne işe yarar diyecek olursak da: trafolar büyük çoğunlukla devreler arasındaki gerilim seviyelerini artırmak (” yükseltmek “) veya azaltmak (“düşürmek”) için kullanılır. Transformatörler ya da kısaltılmış halini kullanacak olursak trafolar özetle gerilim dönüştürücüler olarak tanımlanabilir. Yazının bundan sonrasında kolaylık olması açısından transformatör yerine genellikle trafo kelimesi kullanılacaktır.
Trafonun Çalışma Prensibi
Esasında bir transformatörün ( trafonun ) çalışma prensibi oldukça basittir. İki ya da daha fazla sargı (bobin olarak da adlandırabiliriz) arasındaki karşılıklı indüksiyon, elektrik enerjisinin devreler arasında aktarılmasına izin verir. Bu aktarım çoğunlukla lamine edilmiş bir demir göbek üzerinden gerçekleşir. Trafonun çalışma prensibi detaylıca anlatılan aşağıdaki başlıklar incelenirken daha iyi anlaşılacaktır.
Tek fazlı Trafolar
Tek fazlı transformatorlar ( trafolar ) sadece tek fazlı (monofaze) alternatif akım alabilir ve tek fazlı ( monafaze ) alternatif akım verilebilirler.
Trafonun Boşta Çalışma Gerilimi
Bir trafonun (transformatörün kısa yazılışı) primer sargısından geçen alternatif akım demir göbek üzerinde değişken bir manyetik alan oluşturur. Değişken manyetik alan sekonder sargı üzerinde yüksüz gerilim ya da boşta çalışma gerilimi denilen bir gerilim endükler. Yüksüz gerilim deyiminden : sekonder sargıdan herhangi bir şekilde akım çekilmediği takdirde ölçülen gerilim anlaşılmalıdır.
Bir trafodaki yüksüz gerilimin (boşta çalışma gerilimi) tepe değeri (U0) : manyetik akı yoğunluğunun tepe değerine (B), göbeğin demir çekirdek kesitine (A), primer akımının açısal frekansına (ω) ve sekonder sargının tur sayısına (N) bağlıdır.
U0 = B . A . ω . N
Yüksüz gerilimin (boşta çalışma gerilimi) tepe değeri √2 katsayısına bölünürse, yüksüz gerilimin etkin (efektif) değeri elde edilir.
Açısal frekans ω = 2 π f olduğu için, formüldeki 2 π ve √2 katsayıları sadeleştirilirse 2 π / √2 = 4,44 faktörü elde edilir. Ancak 4,44 faktörü sadece sinüzoidal alternatif akım için geçerlidir.
Böylelikle Temel Trafo bağıntısı
U0 = 4,44 . B . A . f . N
U0 = yüksüz gerilimin efektif değeri (V)
B = manyetik akı yoğunluğu (tepe değeri) (T)
A = Demir göbeğin kesiti (m2)
f = frekans (Hz)
N = Sarım sayısı
Örnek: Bir trafonun demir çekirdek kesiti 30 x 30 mm dir. Sekonder sarım sayısı 100 olan bu trafoda 50 Hz’lık bir frekansta manyetik akı yoğunluğunun tepe değeri 1,4 Tesla ise, yüksüz gerilimi (boşta çalışma gerilimi) bulunuz.
Çözüm U0 = 4,44 . B . A . f . N = 4,44 . 1,4 . 0,0009 . 50 . 100 = 27,972 V
Bir trafoda en azından iki sargı bulunur. Bunlardan gücün uygulandığı sargı primer sargı; gücün alındığı sargı sekonder sargı olarak anılır. Trafolar iki yönlü çalışan aygıtlardır. Sekonder sargı olarak sargılardan herhangi birinin kullanılmış olması prensipte fark etmez. Bu nedenle temel transformator bağıntısı her iki sargı için de geçerlidir.
Trafolar – Mıknatıslama Akımı
Trafolar yüksüz iken yani sekonder sargısından bir akım çekilmediğinde, primer sargısı herhangi bir bobin gibi çalışır. Değişken manyetik alanın oluşturduğu akım mıknatıslama akımı olarak anılır. Primer sargıya uygulanan gerilim ile bu mıknatıslama akımı arasında 90° lik bir faz farkı vardır.
Mıknatıslama akımına nazaran, yüksüz trafonun primeri tarafından çekilen akımın gerilime göre olan faz farkı 90° den biraz daha küçüktür. Çünkü demir çekirdek içinde ısıya dönüşen Histerezis kayıpları ortaya çıkmakta ve bu nedenle primer güç çekimine etkin bir kayıp direnci de eşlik etmektedir. Bir trafonun yüksüz durumda (boşta çalışmada) güç faktörü aşağı yukarı 0,1’dir.
Mıknatıslama akımının oluşturduğu değişken manyetik alan sekonder sargı üzerinde bir U0 gerilimi endükler. Bu U0 gerilimi primer sargıya uygulanan U gerilimi ile hemen hemen aynı büyüklüktedir (şekil – 1). Primer sargıya daha küçük bir gerilim uygulanırsa, mıknatslama akımı daha küçük olur ve demir çekirdek içinde manyetik akı yoğunluğu düşer. Gerilim büyütüldüğünde ise manyetik akı yoğunluğu artar.
Transformatörlerde ( Trafolar ) mıknatıslanma akımı ile akı yoğunluğu uygulanan primer gerilim ile el ele yürür.
Çok yüksek bir gerilim uygulandığı takdirde, trafolar derhal tahrip olur. Büyük gerilimler çekirdek içinde daha büyük akı yoğunlukları ve dolayısıyla daha büyük mıknatıslama akımlarını gerektirirler. Bir çekirdek anma geriliminde aşağı yukarı doyum noktasına geldiği için, mıknatıslama akımı şiddetle artar ve bunun sonucu sargılar yanar.
Bir trafoda yüksüz gerilim (boşta çalışma gerilimi) hava aralığındaki alan çizgileri boyuna bağlı değildir. Bununla beraber manyetik akı yoğunluğu da hava aralığından etkilenmez. Alan çizgileri hava içinden geçiyorlarsa, manyetik akı yoğunluğunun üretilmesi için manyetik devre içinde daha büyük bir manyeto motor kuvveti gerekli olmaktadır. Bu nedenle hava aralığı büyüdükçe mıknatıslama akımı artar.
Hava aralığı ne denli büyük olursa yüksüz bir trafodan boşta çalışmada geçen primer akımı o kadar yüksek olur.
Ayrıca trafodan boşta çalışmada geçen primer akımı demir çekirdek için kullanılmış manyetik malzemeye de bağlıdır. Boşta çalışmada geçen akımlar büyüdükçe kayıplar artar ve güç faktörünü düşürür. Trafolarda boşta çalışmada geçen akımın küçük tutulması için, trafo saçları birbirinin açığını; yani hava aralığını kapatacak şekilde (lamine şekilde) tabakalandırılır (şekil – 2). Bu yöntem ile manyetik alan çizgilerinin sadece demir içinden geçmesi sağlanmaktadır.
Yüklü Bir Trafoda Gerilim
Tek fazlı bir trafoya gerilim uygulanmış ve sekonderde yük yok iken boşta çalışma anındaki gerilim ölçülmüştür. Sonra sekonder sargı uçlarına sıra ile, örneğin: akkor lamba, kondansatör ve bobinler bağlanmıştır. Bağlanan akkor lambaların gücü artırıldıkça, sekonder geriliminde düşmeler izlenmiştir.
Yüklenme anında sekonder sargısından bir akım geçer. Bununla birlikte primer sargısından geçen akım da büyümektedir. Bu akımlar trafo sargıları içinde gerilim düşmeleri ortaya çıkarırlar. Trafolar bu şekilde bir yüklenmede içdirenci olan bir jeneratöre benzer.
Sekonder uçlarına bir bobinin bağlanmasında işletme geriliminin akkor lambalara nazaran daha da düştüğü görülecektir. Buradan yüklenme anında ortaya çıkan gerilim düşmelerinin yalnızca sargı dirençlerine bağlı olmadığı anlaşılmaktadır.
Son kez bir kondansatör ile yapılan sınamada işletme geriliminin arttığı gözlenir. Buradan da gerilim artışının sargı dirençlerine bağlanamayacağı kanıtı elde edilmiş olur.
Yükte çalışan bir trafonun yakınına bir cep radyosu yaklaştırılırsa hoparlörde bir dırıltı sesi işitilecek ve trafoya yüklenildikçe bu ses artacaktır.
Buraya kadar işlenen bölümlerde, tüm alan çizgilerinin demir çekirdek içinden geçtiği varsayılmıştı. Ancak gerçekte bunların bir kısmı çekirdek dışından da geçmektedir (Şekil – 3). Cep radyosunun anten bobinleri dışarıdan geçen bu alan çizgilerinin etkisinde endüklenmekte ve radyonun yükselteç katında kuvvetlenerek, hoparlörde dırıltı sesi halinde duyulmaktadır. Yüksüz bir trafoda alan çizgilerinin hemen hemen tümü demir çekirdek içinden geçer. (Şekil – 4). Yüklenme anında sekonder sargısından geçen yük akımı, aksi yönde bir manyetik alan oluşturarak primer sargısının ürettiği ana manyetik alanı zayıflatır. Bunun sonucu primer sargısından daha büyük bir akım çekilerek, ana manyetik alan tekrar eski durumuna getirilir. Çekirdek içinde bu şekilde karşılıklı vönlenmis alan çizgilerinin karşılaşmasıyla bir kısım alan çizgileri demir dışına itilerek hava içinden geçmeye başlarlar (şekil – 4).
Bu tür alan çizgileri Dağılmış alan çizgileri ya da Kaçak alan çizgileri olarak tanınır. Kaçak alan çizgileri sadece bir sargı içinden geçerler ve ancak içinden geçtikleri sargı üzerinde bir öz indüksiyon gerilimi üretirler. Bunun sonucu, kaçak alan çizgileri etkisinde kalan bir sargı, bir endüktör karakteristiği vermektedir. Bu nedenle bir trafo: iç direnci bir etkin direnç ile bir endüktanstan oluşmuş bir alternatif gerilim üretici görünümündedir. (Şekil – 5). Etkin bir direnç ile yapılan yüklenme anında gerilim düşmesi küçüktür (şekil – 6). Çünkü etkin yük direnci üzerinde düşen gerilim ile trafonun sekonder endüktansı üzerinde düşen gerilim fazları farklıdır. Bir bobin ile yapılan yüklenmede, bobin üzerinde düşen gerilim ile sekonder endüktansı üzerinde düşen gerilim aynı fazda oldukları için, gerilim düşmesi daha büyük olur.
Yük içinde, trafo içinde olduğu gibi, etkin direnç ile endüktans birlikte bir tutum gösterirse, gerilim düşmesi en büyük değerine ulaşır. Kondansatörün yük olarak bağlanmasıyla gerilim artmasının nedeni trafo sekonder sargısının kondansatör ile bir seri salınım devresi oluşturmasıdır. Bu nedenle kondansatörler tek başlarına kesinlikle trafolara bağlanmamalıdır.
Bir trafonun sekonder gerilimi, sekonderden çekilen yük akımına ve yükün karakterine bağlıdır.
16 kVA’nın altında anma gücü olan trafoların güç etiketlerinde anma yük gerilimi verilmiştir.
Bir trafonun anma gücü değerindeki ohmik bir dirençle yüklenmesi halinde sekonderde bulunan gerilim Anma yük gerilimi olarak tanınır.
