Bir güç transformatörü voltajı nasıl düşürür?

Bu, kulağa çok basit gelen sorulardan biri; ta ki bir transformatörün önünde durup numaraların neden isim plakasıyla eşleşmediğini merak edene kadar. Yıllardır güç transformatörleri tedarik ediyorum ve hala ilk prensiplere dönmenin değerini buluyorum. Çünkü adım atmanın gerçekte nasıl işe yaradığını anladığınızda, zamana ve paraya mal olan hataları yapmayı bırakırsınız.

Üzerinden geçelim.

Temel İlkeler-İçeride Gerçekte Neler Oluyor

Bir transformatör elektromanyetik indüksiyon yoluyla voltajı düşürür. Bu ders kitabındaki cevaptır ve doğrudur. Ancak ders kitaplarının her zaman vurgulamadığı şey şu: Transformatör, gücü herhangi bir anlamda "yaratmaz" veya "tüketmez". Kayıplar hariç ürün gücünü yaklaşık olarak sabit tutarken voltajı ve akımı dönüştürür.

Temel prensip basittir. Birincil sargıdaki alternatif akım, çekirdekte sürekli değişen bir manyetik alan yaratır. Bu değişen alan ikincil sargıya bağlanır ve bir voltajı indükler. Birincil voltajın ikincil voltaja oranı, iki sargıdaki sarımların oranı ile belirlenir.

Fizik budur. Mühendislik ayrıntılarda gizlidir.

Dönüş Oranı - Sihrin Gerçekleştiği Yer

İlişki basittir:

Vp / Vs = Np / Ns

Düşürücü bir transformatör için ikincil, birincilden daha az dönüşe sahiptir. Birincil 1000 sarımlı ve ikincil 100 sarımlıysa gerilim 10 kat azalır. 1000 V giriş 100 V çıkış verir.

Ancak en sık yanlış anlaşıldığını gördüğüm şey şu: Dönüş oranı sahada keyfi olarak değiştirebileceğiniz bir şey değil. Transformatörün tasarımı ile sabitlenmiştir. Belirli bir voltaj değerine (mesela 13,8 kV ila 480 V) sahip bir transformatör satın aldığınızda, bu oran ünitenin içine yerleştirilmiştir. Sistem koşullarını hesaba katacak küçük yüzdesel değişiklikler sağlayan kademe değiştiriciler dışında bunu ayarlayamazsınız.

Aslında Gerileyen Şey-İşyerindeki Bileşenler

1. Demir Çekirdek. Bu sadece bir metal yığını değil. Her biri bir yalıtım katmanıyla kaplanmış, tanecikli silikon çelik laminasyonların dikkatle tasarlanmış bir birleşimidir. Laminasyonlar gereklidir çünkü sağlam bir çekirdek, transformatörün aşırı ısınmasına ve tahrip olmasına neden olacak büyük dolaşım akımları (girdap akımları) ile kısa devre gibi davranacaktır. İnce laminasyonlar mevcut yolları kesiyor. Çekirdeğin görevi, manyetik akı için düşük isteksizlik yolu sağlamak ve onu her iki sarımı verimli bir şekilde bağlayacak şekilde yoğunlaştırmaktır.
2. Sargılar. Bir düşürücü transformatörde, birincil sargı daha yüksek gerilime bağlanır. Gerilim yüksek olduğundan aynı güç için akım daha düşüktür. Bu, birincil iletkenin kesit olarak ikincil iletkenden daha küçük olabileceği anlamına gelir. Daha düşük voltajda daha yüksek akım taşıyan ikincil, daha büyük iletkenlere ihtiyaç duyar; çok yüksek akımlar için genellikle paralel olarak birden fazla tel veya hatta folyo sargılar gerekir.

   Bu sadece teori değil. Teknisyenlerin arızalı bir transformatörü açmasını ve iletken boyutuna göre hangi sargının arızalı olduğunu hemen belirlemesini izledim. İkincil olan her zaman daha güçlü olanıdır.

3. Yalıtım. Sargılar arasındaki ve sargılar ile toprak arasındaki voltaj farkı önemli olabilir. Yalıtım sistemleri, bu gerilimlerin yanı sıra anahtarlama ve yıldırımdan kaynaklanan geçici aşırı gerilimleri sürekli olarak karşılayacak şekilde tasarlanmıştır. Kağıt, karton, epoksi ve yağ hep birlikte çalışarak voltajı ait olduğu yerde tutar.

Gerçek Uygulamalarda Adım Aşağı Nasıl Oynanır?

Düşürücü transformatörler, ev aletlerinden endüstriyel güç dağıtımına kadar geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılmaktadır.

1. Konut Hizmeti.Bir evin dışındaki kutup transformatörü, ev kullanımı için dağıtım voltajını (tipik olarak 7,2 kV veya 14,4 kV) 120/240 V'a düşürür. Bu transformatörde, evdeki her cihaz çalışırken yüksek akımı idare etmek için nispeten ince telden çok sayıda sarımlı bir birincil ve çok daha ağır telden daha az sarımlı bir ikincil bulunur.
2. Endüstriyel Güç.Büyük bir üretim tesisi 13,8 kV'ta hizmet alabilir ve motor kontrol merkezleri için 480 V'a düşebilir. Buradaki düşürücü transformatör yalnızca bir voltaj değiştirici değildir. Aynı zamanda, nötr topraklanmış genellikle delta birincil, wye ikincil olmak üzere sargı konfigürasyonu aracılığıyla bir sistem toprak referansı sağlar.
3. Yenilenebilir Entegrasyon.Bir güneş enerjisi çiftliğinde invertör voltajı 480 V veya 690 V olarak verir. Yükseltici bir transformatör (yönüne dikkat edin) toplama için bunu 34,5 kV'a yükseltir. Ancak tesiste daha küçük düşürücü transformatörler yardımcı yükleri besliyor: aydınlatma, kontroller, soğutma. Bunlar, kutup transformatörü ile aynı işi yapan, ancak farklı ölçeklerde, düşürücü ünitelerdir.

Karşılaştığım Yaygın Yanlış Kavramlar

"Transformatör voltajı düşürür, dolayısıyla gücü de azaltması gerekir." Hayır. Güç girişi, güç çıkışı eksi kayıplara eşittir. Gerilim düşerse akım orantılı olarak artar.

"Daha yüksek bir dönüş oranı daha iyi bir transformatör anlamına gelir." Hayır. Oran, uygulamanın ihtiyacına göre belirlenir. 13,8 kV ila 120 V transformatör, 13,8 kV ila 4160 V üniteden çok daha yüksek bir orana sahiptir. İkisi de "daha iyi" değildir; bunlar yalnızca farklı işler içindir.

"Musluklar voltajı istediğim herhangi bir şeye değiştirmeme izin veriyor." Tam olarak değil. Musluklar genellikle büyük oran değişiklikleri değil, ±%2,5 veya ±%5'lik ayarlamalar sağlar. Bunlar, transformatörü farklı bir voltaj sınıfına göre yeniden düzenlemek için değil, ince ayar yapmak içindir.

Kademeli Uygulamalar İçin Transformatör Tipleri Neden Önemlidir?

1. Direğe Monteli Transformatörlerkonut dağıtımının beygirleridir. Yağla doldurulmuş, kendinden soğutmalı ve minimum bakım için tasarlanmışlardır. Düşürme oranları, şebekenin sistem voltajına ve müşterinin servis gereksinimlerine göre sabitlenir.
2. Ped monteli transformatörlerticari ve hafif endüstriyel yüklere hizmet eder. Ayrıca yağla doldurulmuşlardır ancak yer seviyesinde kuruluma uygun, kurcalamaya karşı dayanıklı bir mahfaza içindedirler. İndirme işlevi aynıdır ancak yapı, yer altı kablo sonlandırma özelliklerini içerir.
3. Dökme reçineli transformatörleriç mekanlarda veya hassas ortamlarda kullanılır. Sargılar epoksi ile vakumla dökülerek yağ ihtiyacını ortadan kaldırır. Yangın yasalarının sıvı dolu ekipmanı kısıtladığı binalarda yaygındır. Düşürme oranı dökümün içine yerleştirilmiştir; onu değiştiremezsiniz, ancak korumanıza da gerek yoktur.

Verimlilik-Süreçte Neler Kaybolur?

Hiçbir transformatör %100 verimli değildir. Kayıplar iki kategoriye ayrılır.

1. Çekirdek kayıplarıyükten bağımsız olarak transformatöre enerji verildiğinde meydana gelir. Alternatif manyetik alan çekirdek malzemeyi sürekli olarak döndürür ve her döngü çok az miktarda enerjiye mal olur. Daha iyi çekirdek çeliği ve optimize edilmiş akı yoğunlukları bunu azaltır.

   Sargı kayıplarıyüke bağlıdır. İletkenlerin direncinden geçen akım, ısı-I²R kayıpları üretir. Bir düşürücü transformatörde, ikincil daha yüksek akım taşır, dolayısıyla sargı kayıplarına katkısı daha büyüktür. Bu nedenle ikincil iletkenler cömertçe boyutlandırılmıştır.

Modern transformatörler tam yükte %98'in üzerinde verimliliğe ulaşır. Kayıplar küçüktür ancak sıfır değildir ve zamanla birikir. Bu nedenle büyük tesislerde verimlilik özellikleri önemlidir.

Müşterilere Düşürücü Transformatörler Hakkında Ne Anlatıyorum?

Bir düşürücü transformatör belirtiyorsanız, düşünmenizi istediğim şey şu:

Öncelikle voltajlarınızı tam olarak öğrenin. Maksimum giriş, gereken çıkış ve uyum sağlamanız gereken her türlü değişiklik. Bu, oranı ve kademe aralığını belirler.

İkincisi, yükünüzü anlayın. Sürekli mi? Harmonikleri var mı? Akımlar mı başlıyor? Transformatörün empedansı ve yapısının besleyeceği şeyle eşleşmesi gerekir.

Üçüncüsü, nerede yaşadığını düşünün. İç mekan mı yoksa dış mekan mı? Havalandırılmış mı yoksa mühürlü mü? Yağ mı yoksa dökme reçine mi? Çevre, muhafazayı ve yalıtım sistemini belirler.

Adım aşağı prensibi basittir. Doğru şekilde uygulamak ayrıntılara dikkat etmeyi gerektirir.

Bir transformatör uygulaması üzerinde çalışıyorsanız ve seçenekler üzerinde konuşmak istiyorsanız, yardımcı olmaktan memnuniyet duyarım. Pek çok proje görüyoruz ve ayrıntılar her zaman katalogların önerdiğinden daha önemli.

Referanslar

• IEC 60076-1, Güç transformatörleri – Bölüm 1: Genel.
• IEEE Std C57.12.00, Sıvıya Daldırılmış Dağıtım, Güç ve Düzenleme Transformatörleri için Standart Genel Gereksinimler.
• Fitzgerald, AE, Kingsley, C. ve Umans, SD, Elektrikli Makineler.