Transformatör Yapısı

Basit bir iki sargılı transformatör yapısı, her bir sargının, gerekli manyetik devreyi sağlayan ayrı bir yumuşak demir kol veya çekirdek üzerine sarılmasından oluşur.

Daha yaygın olarak “trafo çekirdeği” olarak bilinen bu manyetik devre, iki sargı arasındaki voltajın indüklenmesi için gerekli olan manyetik alanın etrafından akması için bir yol sağlamak üzere tasarlanmıştır.

Ancak, iki sargının ayrı kollara sarıldığı bu tip transformatör yapısı, birincil ve ikincil sargılar birbirinden iyi ayrıldığından çok verimli değildir. Bu, iki sargı arasında düşük bir manyetik kuplajın yanı sıra transformatörün kendisinden büyük miktarlarda manyetik akı sızıntısı ile sonuçlanır. Ancak bu “O” şekilli yapının yanı sıra, daha küçük, daha kompakt bir transformatör üreten bu verimsizliklerin üstesinden gelmek için kullanılan farklı “trafo yapısı” türleri ve tasarımları mevcuttur.

Basit bir transformatör yapısının verimliliği, iki sargının birbiriyle yakın temas içine getirilmesi ve böylece manyetik kuplajın iyileştirilmesiyle geliştirilebilir. Bobinlerin etrafındaki manyetik devrenin arttırılması ve yoğunlaştırılması, iki sargı arasındaki manyetik bağlantıyı iyileştirebilir, ancak aynı zamanda transformatör çekirdeğinin manyetik kayıplarını arttırma etkisine de sahiptir.

Çekirdek, manyetik alan için düşük bir isteksizlik yolu sağlamanın yanı sıra, demir çekirdeğin içinde dolaşan elektrik akımlarını önlemek için tasarlanmıştır. Girdap akımları adı verilen dolaşan akımlar, trafonun verimini azaltarak çekirdek içinde ısınma ve enerji kayıplarına neden olur.

Bu kayıplar, esas olarak, harici sinüzoidal besleme voltajı tarafından sürekli olarak değişen manyetik alanlara maruz kalan demir devrede indüklenen voltajlardan kaynaklanmaktadır. Bu istenmeyen güç kayıplarını azaltmanın bir yolu, transformatör çekirdeğini ince çelik laminasyonlardan oluşturmaktır.

Çoğu transformatör yapısı türünde, merkezi demir çekirdek, genellikle ince silikon çelik laminasyonlardan yapılan oldukça geçirgen bir malzemeden yapılır. Bu ince laminasyonlar, minimum manyetik kayıplarla gerekli manyetik yolu sağlamak için bir araya getirilir. Çelik sacın kendi direnci yüksektir, bu nedenle laminasyonları çok ince yaparak girdap akımı kaybını azaltır.

Bu çelik transformatör laminasyonlarının kalınlıkları 0,25 mm ila 0,5 mm arasında değişir ve çelik bir iletken olduğundan, laminasyonlar ve herhangi bir sabitleme saplaması, perçin veya cıvata, çok ince bir yalıtım verniği kaplaması veya kullanımı ile birbirinden elektriksel olarak yalıtılmıştır.

Transformatörün Çekirdeği

Genel olarak, bir transformatörün yapısıyla ilgili ad, birincil ve ikincil sargıların merkezi lamine çelik çekirdek etrafına nasıl sarıldığına bağlıdır. Trafo yapısının en yaygın ve temel iki tasarımı, Kapalı Çekirdekli Transformatör ve Kabuk Çekirdekli Transformatördür.

“Kapalı çekirdekli” tip (çekirdek formu) transformatörde, birincil ve ikincil sargılar dışarıya sarılır ve çekirdek halkayı çevreler. “Kabuk tipi” (kabuk formu) transformatörde, birincil ve ikincil sargılar, aşağıda gösterildiği gibi sargıların etrafında bir kabuk oluşturan çelik manyetik devrenin (çekirdek) içinden geçer.

Her iki tip transformatör çekirdek tasarımında, birincil ve ikincil sargıları birbirine bağlayan manyetik akı, hava yoluyla manyetik akı kaybı olmadan tamamen çekirdek içinde hareket eder. Çekirdek tipi trafo yapısında, sargının bir yarısı, yukarıda gösterildiği gibi transformatörün manyetik devresinin her bir ayağının (veya uzvunun) etrafına sarılır.

Bobinler, bir bacakta birincil sargı ve diğerinde ikincil sargı ile düzenlenmemiştir, bunun yerine, pratik olarak tüm manyetik kuplajı arttırmak için, birincil sargının yarısı ve ikincil sargının yarısı, her bir bacağın üzerine eşmerkezli olarak birbiri üzerine yerleştirilir. Manyetik kuvvet çizgileri aynı anda hem birincil hem de ikincil sargılardan geçer. Ancak bu tip transformatör yapısında manyetik kuvvet çizgilerinin küçük bir yüzdesi çekirdeğin dışına akar ve buna “kaçak akısı” denir.

Hem birincil hem de ikincil sargılar, iki dış uzuvların iki katı kesit alanına sahip olan aynı merkez bacak veya uzuv üzerine sarıldığından, kabuk tipi transformatör göbeği bu kaçak akının üstesinden gelir. Buradaki avantaj, manyetik akının, merkezi bobinlere geri dönmeden önce hem sol hem de sağ taraftaki bobinlerin dışından akmak için iki kapalı manyetik yola sahip olmasıdır.

Bu, bu tip transformatör yapısının dış uzuvları etrafında dolaşan manyetik akının Φ/2’ye eşit olduğu anlamına gelir . Manyetik akı, bobinler etrafında kapalı bir yola sahip olduğundan, bu, çekirdek kayıplarını azaltma ve genel verimliliği artırma avantajına sahiptir.

Transformatör Laminasyonları

Ancak bu tip transformatör yapıları için birincil ve ikincil sargıların bu lamine demir veya çelik çekirdeklerin etrafına nasıl sarıldığını merak ediyor olabilirsiniz. Bobinler ilk olarak lamine çekirdeğin yapısına uygun olarak silindirik, dikdörtgen veya oval tipte bir kesite sahip olan bir kalıp üzerine sarılır. Kabuk ve çekirdek tip transformatör yapıların her ikisinde de, bobin sarımları monte etmek için, tek tek laminasyonlar zımbalandığı veya daha büyük çelik levhalardan kesildi ve harfler benzer ince çelik şeritler halinde oluşturulan “e” nin , “L” , Aşağıda gösterildiği gibi “U”lar ve “I”ler .

Transformatör Çekirdek Çeşitleri

Bu laminasyon damgaları birbirine bağlandıklarında gerekli çekirdek şeklini oluşturur. Örneğin, standart bir kabuk tipi transformatör çekirdeğinin bir elemanını oluşturan bir EI çekirdeğini vermek için iki “E” damgası artı iki uç kapanış “I” damgası . Bu münferit laminasyonlar, yüksek oranda doymuş bir manyetik akı yoğunluğu üreten derzlerdeki hava boşluğunun isteksizliğini azaltmak için yapım sırasında birbirine sıkıca kenetlenir.

Transformatör göbek laminasyonları, doğru çekirdek kalınlığını oluşturmak için daha fazla laminasyon çifti eklenerek örtüşen bir bağlantı oluşturmak için genellikle birbiri ardına istiflenir. Laminasyonların bu alternatif istiflenmesi ayrıca transformatöre azaltılmış akı sızıntısı ve demir kayıpları avantajı sağlar. EI çekirdekli lamine trafo yapısı çoğunlukla izolasyon trafolarında, yükseltici ve düşürücü trafolarda ve oto trafolarında kullanılır.

Transformatör Sargı Düzenlemeleri

Transformatör sargıları, bir transformatör yapısının bir diğer önemli parçasını oluşturur, çünkü bunlar, çekirdeğin lamine bölümlerinin etrafına sarılmış ana akım taşıyan iletkenlerdir. Tek fazlı iki sargılı bir transformatörde gösterildiği gibi iki sargı mevcut olacaktır. Gerilim kaynağına bağlı olan ve manyetik akıyı oluşturan sargıya birincil sargı denir ve ikinci sargıya karşılıklı endüksiyon sonucu bir voltajın indüklendiği ikinci sargı denir.

İkincil çıkış voltajı, birincil giriş voltajından düşükse, transformatöre “Düşürücü Trafo” denir. İkincil çıkış voltajı, birincil giriş voltajından büyükse, “Adım Transformatörü” olarak adlandırılır.

Bir transformatör sargısında ana akım taşıyan iletken olarak kullanılan tel türü bakır veya alüminyumdur. Alüminyum tel, bakır telden daha hafif ve genellikle daha ucuz olsa da, bakırla aynı miktarda akımı taşımak için daha büyük bir kesit alanı kullanılmalıdır, bu nedenle esas olarak daha büyük güç trafosu uygulamalarında kullanılır.

Alçak gerilim elektrik ve elektronik devrelerinde kullanılan küçük kVA güç ve gerilim transformatörleri, eşdeğer alüminyum türlerine göre daha yüksek mekanik mukavemete ve daha küçük iletken boyutuna sahip oldukları için bakır iletkenler kullanma eğilimindedir. Dezavantajı ise, çekirdekleri ile tamamlandığında bu transformatörlerin çok daha ağır olabilmesidir.

Transformatör sargıları ve bobinleri, genel olarak eşmerkezli bobinler ve sandviç bobinler olarak sınıflandırılabilir. Çekirdek tipi transformatör yapımında, sargılar genellikle, daha yüksek voltajlı birincil sargının daha düşük voltajlı ikincil sargının üzerine sarıldığı, yukarıda gösterildiği gibi çekirdek uzuv etrafında eşmerkezli olarak düzenlenir.

Sandviç veya “pankek” bobinler, spiral biçimde sarılmış yassı iletkenlerden oluşur ve iletkenlerin diskler halinde düzenlenmesi nedeniyle bu şekilde adlandırılır. Alternatif diskler, tek tek bobinlerin birlikte istiflendiği ve plastik levha kağıdı gibi yalıtkan malzemelerle ayrıldığı, aralıklı bir düzenlemede dışarıdan merkeze doğru spiral şeklinde yapılmıştır. Sandviç bobinler ve sargılar, kabuk tipi çekirdek yapısında daha yaygındır.

Vidalı sargılar olarak da bilinen Helisel Sargılar , alçak gerilim yüksek akım trafosu uygulamalarında kullanılan çok yaygın bir başka silindirik bobin düzenlemesidir. Sargılar, paralel teller arasındaki dolaşım akımlarını en aza indirmek için bitişik dönüşler veya diskler arasına yerleştirilmiş uygun ara parçalarla birlikte, silindirin uzunluğu boyunca sürekli olarak paralel olarak sarılmış yalıtılmış teller ile yan tarafına sarılmış büyük kesitli dikdörtgen iletkenlerden oluşur. Bobin, bir tirbuşona benzeyen bir sarmal olarak dışa doğru ilerler.

Bir transformatörde iletkenlerin kısa devre yapmasını önlemek için kullanılan yalıtım, hava soğutmalı bir transformatörde genellikle ince bir vernik veya emaye tabakasıdır. Bu ince vernik veya emaye boya, telin etrafına sarılmadan önce tel üzerine boyanır.

Daha büyük güç ve dağıtım tipi trafolarda iletkenler yağ emdirilmiş kağıt veya bez kullanılarak birbirinden izole edilir. Tüm çekirdek ve sargılar, transformatör yağı içeren koruyucu bir tanka daldırılır ve kapatılır. Transformatör yağı, bir yalıtkan ve aynı zamanda bir soğutucu görevi görür.

Transformatör Nokta Yönü

Sadece lamine bir çekirdek alıp etrafına bobin konfigürasyonlarından birini saramayız. Sekonder voltaj ve akımın birincil voltaj ve akımın faz dışı olabileceğini ancak bulabiliriz. İki bobin sargısı, birinin diğerine göre belirgin bir yönelimine sahiptir. Her iki bobin de çekirdeğin etrafına saat yönünde veya saat yönünün tersine sarılabilir, bu nedenle göreceli yönelimlerini takip etmek için her bir sargının belirli bir ucunu tanımlamak için “noktalar” kullanılır.

Bir transformatörün yönünü veya sargı yönünü belirlemeye yönelik bu yönteme “nokta kuralı” denir. Daha sonra bir transformatörün sargıları sarılır, böylece transformatörün polaritesi, aşağıda gösterildiği gibi birincil voltaja göre ikincil voltajın göreceli polaritesi olarak tanımlanırken, sargı voltajları arasında doğru faz ilişkileri bulunur.

Nokta Yönlendirmeyi Kullanan Transformatör Yapısı

İlk transformatör, iki “noktasını” iki sargı üzerinde yan yana gösterir. İkincil noktadan ayrılan akım, birincil yan noktaya giren akımla birlikte “aynı fazdadır”. Bu nedenle, noktalı uçlardaki voltajların polariteleri de aynı fazdadır, bu nedenle birincil bobinin noktalı ucunda voltaj pozitif olduğunda, ikincil bobin üzerindeki voltaj da noktalı uçta pozitiftir.

İkinci transformatör, sargıların zıt uçlarındaki iki noktayı gösterir; bu, transformatörün birincil ve ikincil bobin sargılarının zıt yönlerde sarıldığı anlamına gelir. Bunun sonucu, ikincil noktadan çıkan akımın, birincil noktaya giren akımla birlikte 180 ^o “faz dışı” olmasıdır. Bu nedenle, noktalı uçlardaki voltajların polariteleri de faz dışıdır, bu nedenle birincil bobinin noktalı ucunda voltaj pozitif olduğunda, karşılık gelen ikincil bobin üzerindeki voltaj negatif olacaktır.

Daha sonra bir transformatörün yapısı, ikincil voltajın birincil voltaja göre “faz içi” veya “faz dışı” olabileceği şekilde olabilir. Birbirinden elektriksel olarak izole edilmiş birkaç farklı sekonder sargıya sahip transformatörler, seri yardımcı (sekonder voltaj toplanır) veya seri karşıt olarak birbirine bağlanabilmeleri için her bir sekonder sargının nokta polaritesini bilmek önemlidir. (sekonder voltaj farktır) konfigürasyonları.

Bir transformatörün dönüş oranını ayarlama yeteneği, genellikle birincil besleme voltajındaki, transformatörün düzenlenmesindeki veya değişen yük koşullarındaki değişikliklerin etkilerini telafi etmek için istenir. Transformatörün voltaj kontrolü genellikle dönüş oranı ve dolayısıyla voltaj oranı değiştirilerek gerçekleştirilir, bu sayede yüksek voltaj tarafındaki birincil sargının bir kısmı, kolay ayarlamaya izin verecek şekilde kesilir. Devre başına volt, düşük voltajlı ikincil taraftan daha düşük olduğundan, yüksek voltaj tarafında kademe tercih edilir.

Transformatör Birincil Kademe Değişiklikleri

Bu basit örnekte, birincil kademe değişiklikleri, ±%5’lik bir besleme voltajı değişikliği için hesaplanır, ancak herhangi bir değer seçilebilir. Bazı transformatörler, tek bir çekirdekten farklı voltajlar sağlayan farklı uygulamalarda kullanım için iki veya daha fazla birincil veya iki veya daha fazla ikincil sargıya sahip olabilir.

Transformatör Çekirdek Kayıpları

Demir veya çeliğin manyetik akı taşıma yeteneği havada olduğundan çok daha fazladır ve bu manyetik akının akmasına izin verme yeteneğine geçirgenlik denir. Çoğu transformatör çekirdeği, hava için sadece 1.0 ile karşılaştırıldığında, 1500 mertebesinde bir geçirgenliğe sahip olabilen düşük karbonlu çeliklerden yapılmıştır.

Bu, çelik lamine bir çekirdeğin havadan 1500 kat daha iyi bir manyetik akı taşıyabileceği anlamına gelir. Bununla birlikte, bir transformatörün çelik çekirdeğinden bir manyetik akı aktığında, çelik içinde iki tür kayıp meydana gelir. Biri “girdap akımı kayıpları”, diğeri “histerezis kayıpları” olarak adlandırılmıştır.

Histerezis Kayıpları

Transformatör Histerezis Kayıpları, sinüzoidalin etkisiyle önce bir yönde, sonra diğer yönde sürekli olarak değer ve yön değiştiren çekirdeği manyetize etmek için gerekli olan manyetik kuvvet çizgilerinin akışına karşı moleküllerin sürtünmesinden kaynaklanır. besleme gerilimi.

Bu moleküler sürtünme, transformatörde bir enerji kaybını temsil eden ısının gelişmesine neden olur. Aşırı ısı kaybı, sargıların ve yapıların imalatında kullanılan yalıtım malzemelerinin ömrünü zamanla kısaltabilir. Bu nedenle, bir transformatörün soğutulması önemlidir.

Ayrıca transformatörler belirli bir besleme frekansında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Tedarik frekansının düşürülmesi, demir çekirdekte artan histerezis ve daha yüksek sıcaklık ile sonuçlanacaktır. Bu nedenle, besleme frekansını 60 Hertz’den 50 Hertz’e düşürmek, mevcut histerezis miktarını artıracak, transformatörün VA kapasitesini azaltacaktır.

Girdap Akımı Kayıpları

Transformatör Girdap Akımı Kayıpları ise, manyetik akının çekirdek etrafındaki akışının neden olduğu çeliğe indüklenen dolaşım akımlarının akışından kaynaklanır. Bu dolaşım akımları, manyetik akıya göre çekirdek tek bir tel döngüsü gibi davrandığı için üretilir. Demir çekirdek iyi bir iletken olduğundan, katı bir demir çekirdeğin neden olduğu girdap akımları büyük olacaktır.

Girdap akımları, transformatörün kullanışlılığına herhangi bir katkıda bulunmazlar, bunun yerine, çekirdek içinde dirençli ısıtma ve güç kaybı üreten negatif bir kuvvet gibi davranarak indüklenen akımın akışına karşı çıkarlar.

Demir Çekirdeğin Laminasyonu

Bir transformatör çekirdeğindeki girdap akımı kayıpları tamamen ortadan kaldırılamaz, ancak çelik çekirdeğin kalınlığı azaltılarak büyük ölçüde azaltılabilir ve kontrol edilebilir. Transformatörün veya bobinin manyetik çekirdek malzemesi olarak büyük bir katı demir çekirdeğe sahip olmak yerine, manyetik yol “laminasyonlar” adı verilen birçok ince preslenmiş çelik şekle bölünmüştür.

Bir transformatör yapımında kullanılan laminasyonlar, yukarıda gördüğümüz gibi sağlam fakat lamine bir çekirdek üretmek için bir araya getirilen çok ince yalıtımlı metal şeritlerdir. Bu laminasyonlar, göbeğin etkin direncini arttırmak ve böylece girdap akımlarının akışını sınırlamak için toplam direnci arttırmak için bir vernik veya kağıt tabakası ile birbirlerinden yalıtılmıştır.

Tüm bu yalıtımın sonucu, çekirdekteki istenmeyen indüklenmiş girdap akımı güç kaybının büyük ölçüde azalmasıdır ve bu nedenle her transformatörün ve diğer elektromanyetik makinelerin manyetik demir devresinin tümü lamine edilmiştir. Bir transformatör yapısında laminasyonların kullanılması girdap akımı kayıplarını azaltır.

Manyetik yoldaki hem histerezis hem de girdap akımları nedeniyle ısı olarak ortaya çıkan enerji kayıpları, yaygın olarak “trafo çekirdek kayıpları” olarak bilinir. Çünkü bu kayıplar, değişen manyetik alanların bir sonucu olarak tüm manyetik malzemelerde meydana gelir. Transformatör çekirdek kayıpları, ikincil sargıya bağlı hiçbir yük olmasa bile, birincil sargıya enerji verildiğinde bir transformatörde her zaman mevcut olacaktır. Ayrıca, histerezis ve girdap akımı kayıplarının kombinasyonu, bu kayıplara neden olan manyetik akı tüm yüklerde sabit olduğundan, yaygın olarak “trafo demir kayıpları” olarak adlandırılır.

Bakır Kayıpları

Ancak, transformatörle ilişkili “bakır kayıpları” olarak adlandırılan başka bir tür enerji kaybı da vardır. Transformatör Bakır Kayıpları esas olarak birincil ve ikincil sargıların elektrik direncinden kaynaklanır. Çoğu transformatör bobini, Ohm (  Ω  ) cinsinden direnç değeri olan bakır tel kullanılarak sarılır ve Ohm Yasasından bildiğimiz gibi, bakır telin direnci, içinden geçen herhangi bir mıknatıslama akımına karşı çıkacaktır.

Bir elektrik yükünün bir transformatörün sekonder sargısına bağlı olduğunda, büyük elektrik akımları hem primer hem de sekonder sargılarda akmaya başlar, elektrik enerjisi ve elektrik ( I ²  R  ) kayıpları ısı olarak ortaya çıkar. Genellikle bakır kayıpları yük akımına göre değişir, yüksüz durumda neredeyse sıfırdır ve akım akışı maksimumdayken tam yükte maksimumdadır.

Bu çekirdek ve bakır kayıplarını azaltmak için daha iyi tasarım ve yapı ile bir transformatörün volt-amper (VA) değeri artırılabilir. Yüksek gerilim ve akım derecelerine sahip bir transformatör, bakır kayıplarını en aza indirmeye yardımcı olmak için büyük kesitli iletkenler gerektirir. Zorlanmış hava veya yağ ile ısı yayılım oranını (daha iyi soğutma) arttırmak veya daha yüksek sıcaklıklara dayanabilmesi için yalıtımını iyileştirmek, böylece transformatörün VA derecesini arttırmak.

O zaman ideal bir transformatörü şu şekilde tanımlayabiliriz:

• Histerezis döngüsü veya Histerezis kaybı yok   → 0
• Sıfır Girdap akımı kayıpları veren çekirdek malzemenin sonsuz direnci   → 0
• Sıfır I ² *R bakır kayıpları   veren sıfır sargı direnci → 0