Transformatörlerde Kayıplar ve Transformatörlerde Verim | Bakır Kaybı, Fuko Kaybı, Histerisiz Kaybı, Boşta Kayıplar | Transformatörler

Transformatörlerde Kayıplar ve Verim  Kayıplar   Transformatörlerde meydana gelen başlıca kayıplar üç grupta incelenir.Bunlar;bakır kayıpları,demir kayıpları ve Fuko(Eddy) kayıplarıdır. Fuko Kaybı   Bir nüve üzerine sarılmış bir bobinden değişken akım geçirildiğinde nüve üzerinde gerilim indüklenir. Bu gerilim nüvede kapalı çevrimler halinde çok sayıda akım yollarının oluşmasına neden olur. Bu olay yalnızca nüve yüzeyinde değil içinde de meydana gelir. Kapalı minik halkalar şeklinde oluşan bu akımlara fuko akımları (eddy akımları) denir.   Her bir kapalı akım yolundaki akım şiddeti doğrudan indüklenen gerilim ile orantılıdır. Akım şiddeti bu akım yolunun elektriksel direnci ile ters orantılıdır. Fuko akımları nüvelerde aşırı ısınmaya neden olur. Isınma ise enerjinin kaybı anlamına gelir. Fuko akımlarını önleyebilmek için transformatörlerde nüve için ince saclar kullanılır, bu saclar birbirlerinden yalıtılır ve özdirenci yüksek iletkenler kullanılır. Alternatif gerilimin frekansı yükseldikçe fuko akım şiddeti de artar. Doğru akım devrelerinde frekans bileşeni olmadığı için fuko akımlarından söz edilemez. Histerisiz Kaybı

  Demir gibi bazı ferromanyetik maddeler haricî manyetik alana maruz kaldıklarında geçici ya da kalıcı olarak manyetiklik sergilemeye başlar. Bu manyetiklik transformatör üzerinde var olan manyetik alana ters yöndedir ve ısı olarak enerji kaybına neden olur. Bu kayba histerisiz kaybı denir. Histerisiz kaybı, nüve moleküllerinin frekansa bağlı olarak yön değiştirmesi sırasında moleküllerin birbirleri ile sürtünmeleri sonucu ısı şeklinde ortaya çıkar.

Bakır Kaybı   Bakır kaybı genellikle transformatör sargıları veya diğer elektrikli cihazların iletkenlerinde elektrik akımının ürettiği ısı için kullanılan bir terimdir. Transformatörlerdeki bakır kayıpları sargıda kullanılan iletkenin direnci ve iletkenden geçen akımın karesi ile doğru orantılıdır. Düşük frekanslı uygulamalarda kalın kesitli ve düşük dirençli iletkenler kullanılması ile bakır kaybı minimum seviyelere çekilebilir. Transformatörün sekonderine bir yük bağlandığı zaman hem primerden hem sekonderden bir akım geçer. Bakır kayıpları 1000 kVA’nın altındaki güçlerde transformatörün görünür gücünün %3 ile % 4’ü kadardır. Boşta Kayıplar   Trafoların boşta kaybını “Eddy Akımı Kayıpları” ve “Hysteresis Kayıpları” adı verilen 2 bileşen oluşturmaktadır. Hysteresis Kayıpları, nüve oluşumunda kullanılan sacın manyetik geçirgenlik (permeability) özelliğine ve frekansa göre değişiklik göstermektedir. Tarihsel süreçte nüve sacı üreticileri metalurji biliminin de yardımıyla sacların manyetik geçirgenlik özelliklerini artırarak manyetik akının daha iyi bir şekilde iletilmesini sağlamışlar ve böylelikle bu kayıpları düşürmeye çalışmışlardır. Eddy Akımı Kayıpları ise çekirdekteki manyetik akının çekirdek laminasyonları üzerinde voltaj endüklemesiyle meydana getirdiği Eddy Akımları nedeniyle oluşur.Bu kayıplar, çekirdek diziminde kullanılan sacın kalınlığının karesi ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Bu nedenle trafo nüvesi için sac üreten firmalar tarihsel süreç içerisinde hep nüveyi oluşturan laminasyonların kalınlığını azaltarak Eddy Kayıpları’nı düşürme yoluna gitmişlerdir. Trafolarda kullanılan saclar literatürde CRGO (Colled Rolled Grain Oriented) olarak geçen, manyetik akının iyi bir şekilde iletilebilmesi için tanecikleri yönlendirilmiş silikon saclardır. Bu sacların yapısına %4-5 oranında eklenen silikon maddesi, sacın direncini artırarak Eddy Kayıpları’nı azalttığı gibi, sacın ömrünü uzatıcı bir etki de yapmaktadır.

Trafo üreticileri, müşterilerinin talep ettiği boşta kayıp değerlerine göre trafo dizaynlarını yaparak volt/sipir oranlarını, nüve kesitlerini, kullanılacak sacın kalınlığını ve kalitesini seçerler. İstenilen boşta kayıp düştükçe, istenilen kaybın sağlanabilmesi için daha ince ve kayıp performansı olarak daha kaliteli sacların dizaynda seçilmesi gerekir. Şu an trafo imalatı yapan firmalar genellikle müşterilerinin istediği kayıp değerlerine göre 0,23 mm (lazer) ile 0,3 mm (M5) arasında değişen kalınlıklarda silikon saclar kullanmaktadırlar.  Transformatörlerde Verim   Transformatörler girişine uygulanan gerilimi çıkışına sargıları oranında değiştirerek çıkışına veren elektrik makinalarıdır. Girişine uygulanan gerilim primer ve sekonder sargıları oranında çıkışa verilir (V1/V2=N1/N2). Her makina gibi elektrik makinalarının da bir verimi vardır ve giriş gücünü verimi oranında çıkışa verir. Transformatörlerin verim ifadesini çıkarmadan önce giriş ve çıkış güç ifadelerinin, ve kayıp güçlerin belirlenmesi gerekmektedir.   Girişine Vg gerilimi uygulanırken Ig akımını çeken bir transformatörün görünür gücü Sg=VgIg olarak verilir. Görünür güç hem aktif Pg hem de reaktif Qg güç değerini içerir. (Aktif, Reaktif ve Görünür güç ile ilgili bilgileri burada bulabilirsinir.) Yani giriş gücü Sg=Pg+jQg olarak ifade edilebilir. Transformatörlerdeki güç akışı aşağıdaki blok diyagramda gösterilmiştir. Giriş gücünün bir kısmı primer sargıda harcandıktan sonra demir çekirdekte de harcanan güçten kalan güç sekonder sargıya geçer. Sekonder sagıda harcanan güçten sonra kalan güç çıkışa verilir. Pcu1 ve Q1primer sargıdaki kayıpları, Pfe demir çekirdekteki demir kayıplarını, Qm demir çekirdeğin mıknatıslanması için gerekli olan reaktif gücü, Pcu2 ve Q2 sekonder sargıdaki kayıpları temsil etmektedir. Transformatörlerde verim çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak ifade edilir. Yüzde olarak verimin ifadesi; η=(Pç/Pg).100 olarak gösterilir. Verim transformatörün yüklenme oranına ve güç faktörüne göre değişir. Transformatörlede harcanan kayıp güç Pk=Pg-Pç olarak ifade edilir. Bu kayıp güç yukarıda bulunan blok diyagramdaki Pcu1,2, Pfe değerlerinin toplamıdır. Yani transformatörün boşta çalışmadaki kayıpları (P0) ve bakır kayıplarının (Pcu) toplamıdır. Giriş gerilimi ise Pg=Pç+Pk olarak ifade edilebilir. Verim ifadesini güç değerleri ifadesi ile yazacak olursak; η=Scosφ2/(Scosφ2+Pk) olur. Bu ifadeden de görüldüğü gibi transformatörün verimi güç faktörüne göre değişmektedir. P0 boşta çalışma kayıp gücü yükleme oranıyla değişmez. Pcu bakır kayıpları yükleme oranının karesi ile değişir. Pk kayıp güç Pcu bakır kayıpları ile boşta çalışmadaki kayıp gücün toplamı olduğuna göre kayıp güç ifadesi yükleme oranıyla değişmektedir. Yükleme oranının α olması durumunda verimin ifadesi; ηα=αScosφ2/(αScosφ2+α2Pcu+P0) olur. Verimin maksimum olduğu verim ifadesi ise α=(P0/Pcu)1/2 olur.