Transformatörlerin Kullanım Alanları

Transformatörlerin Kullanım Alanları
transformatör nedir - transformatörlerin kullanım alanları nelerdir - transformatör çeşitleri

Bu gösterişsiz aygıt tam 100 yıl önce elektrik enerjisinin dağıtımına olanaksağladı Çağdaş yaşamın birçok öğesinin ona dayanmasına rağmen, o halâ teknolojinin isimsiz kahramanlarından biridirGeçen yüzyılda uygarlığı şekillendiren teknolojik devrim iletişim, ulaşım ve elektrik gücünde meydana gelen temelgelişmelerden doğmuştur Buluşçuların iletişim ve ulaşım alanlarındaki son başarıları Telefon, televizyon, otomobil,uçak vb artık günlük yaşamın değişmez parçalan olmuştur Buna karşılık elektrik enerjisinin her yerde kullanılmasınısağlayan buluş, yaşamlarına girmiş olduğu kişilerce halâ farkedilmemiştir Bu aygıt hareket etmez, hemen hementümüyle sessizdir, ve genellikle yeraltı depolarında veya perde arkasında saklanır19 yüzyılda geliştirilmiş bu yetenekli aygıt transformatördür Transformatör çağdaş elektrik güç sistemlerininayrılmaz bir parçasıdır Kısaca işlevi, düşük akımlı yüksek gerilimli elektriği, hemen hiç enerji kaybı olmaksızınyüksek akımlı düşük gerilimli duruma (veya tam tersi) dönüştürmektir Bu dönüşüm önemlidir, çünkü elektrik enerjisien verimli şekilde yüksek gerilimle iletilirken, düşük gerilimlerde kullanılır ve üretilir Eğer transformatörler olmasaydıüreteçlerle tüketici arasındaki mesafenin en aza indirilmesi hedeflenecek, birçok yerleşim ve endüstri merkezlerininkendilerine ait güç istasyonları kurmaları gerekecek ve elektrik çok daha az kullanışlı bir enerji kaynağı olacaktıElektrik güç sistemlerindeki rolüne ek olarak, transformatörler elektrikle çalışan birçok aracın tamamlayıcı elemanıdırMasa lambaları, pil şarj araçları, oyuncak trenler ve televizyon gibi aygıtların hepsinde gerilimi ayarlamak içintransformatör kullanılır Pek çok kullanımlarında transformatörün boyutları bezelye iriliğinde küçük olabildiği gibi, 500ton ağırlığında olanları da vardır Bu makalenin odağı güç sistemlerindeki transformatörler olacaktır, ancak elektriktransformatörlerinin ilkelerinin boyuttan ve uygulamadan bağımsız olarak aynı olduğunu da vurgulamak gerekirTransformatörün temel işlevini 1831'de elektrik alanında ilk çalışmaları yapmakta olan İngiliz fizikçi Michael Faradaybulmuştur Elli yıl kadar sonra çağdaş örneğinin gerekli tüm elemanlarına sahip, kullanışlı transformatörün ortayaçıkmasıyla da o zaman henüz yeni olan elektrikle aydınlatma endüstrisinde devrim olmuştur Yüzyılın sonlarındadeğişken akımlı (ac) güç sistemleri tüm dünyada kullanılmaya başlamış ve transformatörler elektrik iletim vedağıtımında anahtar rolünü üstlenmişlerdirAncak transformatörün öyküsü 1900'de bitmez Bugünün transformatörleri yüzyıl başındaki atalarına göre güçbakımından 500, gerilim bakımından 15 kat fazla kapasiteye sahiptir Güç birimi başına ağırlık 10 kat azalmış veverimlilik genellikle %99'u aşmıştır Bu gelişmeler kuramsal çalışmaların ve mühendisliğin birleşmesiyle ortayaçıkmıştırFaraday'ın çalışmaları, 1820'de bir iletkenden geçen elektrik akımının, iletken etrafında manyetik alan yarattığınıgöstermiş olan Danimarkalı fizikçi Hans Cristian Oersted için ilham kaynağı olmuştur Oersted'in bu keşfi o zamaniçin çok önemlidir, çünkü bu olaya kadar elektrik ve manyetizma birbiriyle ilgisiz kuvvetler olarak bilinmekteydiElektrik akımı manyetik alan üretebiliyorsa bir manyetik alan da elektrik akımına yol açabilirdi1831'de Faraday manyetik alanın bir iletkende akım endükleyebilmesi için alanın değişken olması gerektiğini gösterdiFaraday, alanın değişmesini, alanı yaratan elektrik devresini açıp kapayarak sağlıyordu; aynı etki, yönü zamanladeğişen bir akımla da sağlanabilirdi Elektrik ve manyetizmanın bu büyüleyici etkileşimi elektromanyetik endüksiyonolarak bilinirEndüksiyon en iyi şekilde Faraday'ın bir manyetik alanın yönünü ve kuvvetini anlatmak için ortaya attığı kuvvetçizgileri yoluyla anlaşılabilir Çember şeklinde sarılmış bir telden geçen akımın yarattığı manyetik alan için çizilmişkuvvet çizgileri şekil 1'de görülmektedir İlkinden bağımsız ikinci bir tel döngü değişken bir manyetik alan içinekonulduğunda, döngüde içine aldığı kuvvet çizgilerinin zamana göre değişimiyle orantılı bir gerilim oluşur Yapılanbobin iki sarımlıysa, böyle bir etkileşim her sarımda meydana gelir ve sonuçta gerilim iki katına çıkar; üç sarım varsagerilim üç katına çıkar ve bu durum sarım sayısıyla gerilim arasındaki doğru orantıyı gösterir (Gerilim yükleri hareketettiren basınç, akım da yüklerin akma oranı olarak düşünülebilir Bunların çarpımıgerilim volt, akım amperbirimiylewatt olarak elektriksel güce eşittir)Bir transformatörde akımla beslenen ve manyetik alanı üreten sarıma birincil ("primary") adı verilir Manyetik alanıtutan sarıma da ikincil ("secondary") denir Birincil ve ikincil sarım arasında karşılıklı endüksiyon vardır; yani ikincil sarımda akan akım birincilde bir gerilim endüklerken, aynı yolla birincil de ikincil sarımda gerilim yaratır Ayrıca, birincilsarım kendi kuvvet çizgilerini de içine aldığından kendi üzerinde de gerilim endükler, bu olay özendüksiyon("selfinduction") olarak bilinir ve ikincil sarımda da meydana gelirAynı anda sarımlar arasında oluşan karşılıklı endüksiyon ("Mutualinduction") ve her sarımda olan özendüksiyongörüngüleri transformatör işlevinin can alıcı noktasını oluşturur Bir güç transformatörünün görevini yapabilmesi içinsarımların kusursuz şekilde eşleşmiş olmaları ve her birinin yüksek özendüksiyona sahip olması gerekir Yani birincilsarımın bütün kuvvet çizgilerinin ikincil tarafından da çevrelenmesi ve belli bir akım değişikliğine karşılık üretilenkuvvet çizgilerinin sayıca fazla olması gerekir Her iki şart da Faraday'ın ilk deneylerinde yaptığı gibi birincil ve ikincilsarımları demirden yapılmış bir çekirdek etrafına sararak sağlanabilir Demir, üretilen kuvvet çizgilerini 10000 katartırabilir, bu özelliğe geçirgenlik ("permeability") denir Demir ayrıca, kuvvet çizgilerini birarada tutarak birincil veikincil sarımların birbirlerinden uzak olmalarına rağmen manyetik olarak iyi bir şekilde eşleşebilmelerini sağlarİdeal transformatörde bütün kuvvet çizgileri birincil ve ikincil sarımlarından tek tek geçer ve değişken bir manyetikalan sarımların her birinde aynı gerilimi üretir, bir sarımda üretilen gerilim sarımdaki döngü sayısıyla orantılıdırTransformatörde enerji kaybı yoksa ikincil sarımdan elde edilen gücün birincile verilene eşit olması gerekir; başka birdeyişle ikincil sarımın akım gerilim çarpımının birincildeki akımla gerilimin çarpımına eşit olması gerekir Bu nedenle ikisarımdaki akımlar gerilimlerle ters orantılı olmalıdır (Güç ifadeleri ancak akım ve gerilimler aynı fazda ise doğrudur,yüksek özendüktans şartı aynı fazda olmayan akımların ihmal edilebilir büyüklükte olmasını sağlar)Böyle bir ideal transformatör elektrik mühendisine mekanikteki kaldıraca benzer bir araç olur, fakat kaldıraçtakikuvvet ve hareket dönüşümü yerine transformatör gerilim ve akımla ilgilenir Kaldıraç kolunun uzunlukları yerine,sarım sayısı oranı bu aracın etkili ölçütüdür Doğal olarak ideal transformatör henüz yapılmamıştır, ancak uygulamadaideale çok yaklaşılmıştır Demir çekirdekler bütün güç transformatörlerinin ayrılmaz parçalarıdır ve geçmişte olduğugibi günümüzde de düşük direnci nedeniyle bakır, sarımlarda kullanılan en yaygın malzemedirBugünün elektrik mühendisi için işin abecesi sayılan ideal transformatör bağıntıları, ilk deneyciler tarafındankesinlikle açık olarak bilinmiyordu Onların çalıştıkları düzenlemeler idealden çok farklıydı; kötü şekilde eşlenmişsarımlar, saf olmayan demir çekirdekler, öz ve karşılıklı endüksiyon gibi nedenlerle çok karmaşık ve garip durumlarlakarşılaşıyorlardıFa raday, çalışmalarını daha fazla ilerlemeden bıraktı ancak diğer buluşçuların onun bıraktığı yerden devam edecekleriaçıktı Gerçekten de birkaç on yıl transformatör benzeri aygıtlarla kimse uğraşmadı Demir bir çekirdek etrafına tek bi tel sararak yapılan bobinlerle ilgili deneylerin nedeni sadece sarımdaki akım kesildiğinde ortaya çıkan kıvılcımlardı Budeneyleri yapanlar arasında indüksiyon birimine adını veren Amerikalı Joseph Henry de vardıDeneylerin bu aşamasında metal çekirdeklerde dolaşan akımın enerji harcadığı kesinlik kazandı "Eddy akımları"denilen bu kayıpları azaltmak için transformatör içindeki manyetik kuvvet çizgilerine dik doğrultuda iletken olmayançekirdekler üretildi Bu tip çekirdeklerde düz demir tel demetleri kullanılıyorduBu süre içinde yapılan bütün deneylerde kaynak olarak doğru akım bataryaları kullanılıyor, gerekli değişken akımıüretmek için birincil devre açılıp kapatılıyordu 1860'larda yine Faraday'ın öngörüsüne dayanan bir çeşit üreteç olandinamonun ortaya çıkışıyla değişken akım kolayca elde edilebilir hale geldi Bir transformatörü değişken akımkaynağına bağlayan ilk kişi, laboratuvarmda yüksek gerilimli güce ihtiyacı olan VVilliam Grove oldu Çok açık bir ticariuygulaması olmamasına rağmen, bu düzenlemeye Thomas Edison 1880'lerde elektrikle aydınlatma düşüncesiniortaya atana dek kimse gerekli önemi vermediEdison bu uygulamayı başlattığında platin filamentli ampuller, akımın filament yerine iki elektrot arasında ark yaptığıark lambaları zaten kullanılıyordu Her iki çeşit lamba da görevini yapıyordu, ancak elektriksel özellikleri birbirlerinebağlanmaları konusunda bazı güçlükler çıkarıyordu Öncelikle lambalar seri olarak bağlanmalıydılar ki bu durumdasistemdeki bütün lambaların aynı anda yanıp sönmesi gerekiyordu'Böyle bir düzenleme sokak aydınlatması için uygun olmasına rağmen, ayrı ayrı lambaları isteğe bağlı olarak açıpkapayamamak ve çok sayıdaki lambanın seri bağlanması halinde ortaya çıkan yüksek gerilimler, ev ve küçükyerleşim birimleri için sorun yaratıyordu Diğer taraftan her lambanın kendi alt devresi içinde çalıştığı paralel sistemlerise o günün düşük dirençli yüksek akım gerektiren lambalarını beslemek için çok fazla bakır kablo gerektirdiğindenkullanılamıyor du Edison'un bu alandaki asıl katkısı paralel bağlamayı pratik hale getiren yüksek dirençli karbonfilamentli lambayı bulması olmuştur Edison karbon filamentli lambalar ve bir doğru akım üreteci kullanarak ilk ticariışıklandırma sistemini 1882'de New York'da kurmuşturYaklaşık olarak aynı zamanda transformatörler ilk defa İngiltere'de elektrikli ışıklandırma sisteminde kullanılmıştır BirFransız buluşçu olan Lucien HGaulard ve ingiliz girişimci John DGibbs değişken akımlı arkışıklandırması sistemineakkor lambalar eklemek için bir çeşit transformatör kullandılar Ark lambaları hattan belli bir akım geçecek şekilde seribağlandıkları için, transformatörlerinin birincilini de zorunlu olarak ark lambalarına seri bağladılar Gaulard ve Gibbsikincil üreteç adını verdikleri bu aygıtın patentini aldılar ve sistemlerini 1883'de İngiltere, 1884'de İtalya'dauyguladılar İkincil üreteç pek fazla kullanım alanı bulamadı ancak diğer buluşçular arasında birçok düşünceninoluşmasına yardımcı olduGaulard ve Gibbs'in çalışmalarıyla ilgilenenler arasında Budapeşte'deki "Ganz and Company" şirketinden üçmühendis de vardı Bunlar Italya'daki uygulamayı izlemişler ve seri bağlamanın dezavantajlarını farketmişlerdi MaxDeri, Otto TBlâthy ve Kari Zipernovvski adlı bu mühendisler Budapeşte'ye döndüklerinde üreteçlere paralelbağlanabilen birkaç çeşit transformatör yaptılar Bu transformatörler paralel bağlamaya, açık uçlu demir demetlerdençok dahauygun kapalı çekirdekler kullanılarak iki türde yapılmışlardı Birinde iletkenler toroid bir demir çekirdeketrafına sarılmış, diğerinde ise demir çekirdeği oluşturan teller toroid şeklinde sarılmış iletkenlerin çevresinedolanmıştı1885 Mayıs'ında Budapeşte'deki Macar Ulusal Sergisi'nde Deri, Blâthy ve Zipernovvski bugünün ışıklandırmasistemlerinin ilk örneğini sergilediler Bu sistem, 1350 volt gerilim üreten bir değişken akım üretici kullanıyor ve 75transformatörün parlel bağlanmasıyla 1067 akkor Edison lambasına güç sağlıyordu Transformatörler toroidşeklindeki demir çekirdek etrafına iletken sarılarak yapılmıştı Pahalıya mal olmalarına karşıntasarımlanmaamaçlarına, yani düşük gerilimli lambaları yüksek gerilim dağıtma sistemiyle çalıştırmayı başarıyorlardıGeorge VVestinghouse adlı Amerikalı da Gaulard ve Gibbs'in gösterilerinden etkilenmişti VVestinghouse 1880'lerdeendüstrideki yerini almıştı ve aydınlatma amaçlı doğal gaz dağıtımıyla ilgileniyordu Edison'un başarısından sonraelektrikle de ilgilenmeye başladı ancak sistemin uygulanabilirliğinden emin değildi Kuşkuculuğu boşuna değildi;paralel bir sistemde artan yük artan akım demekti ve bir şehir kadar büyük bir yük çok fazla akım çekecekti Fakatyüksek akımda güç iletimi verimsizdi, bu nedenle ya çok geniş çaplı bakır kablolar kullanmak veya üreteçleri yüklereçok yakın yerlerde kurmak zorunluyduYüksek gerilimde gücün verimli iletimi, göreceli olarak daha ince kablolarla da mümkündü ve birçok insan elektrikenerjisini kullanım noktasındaki gerilimden daha yüksek gerilimlerde iletmenin yollarını arıyordu VVestinghouse1884'de bu problemi transformatörle çözmek düşüncesinde olan gençbir mühendise, VVilliam Stanley'e göreve verdiBu mühendis Gaulard ve Gibbs'in çalışmalarını duyunca VVestinghouse'u transformatör patentleri alma konusundacesaretlendirdi Paralel bağlamanın üstünlüğüne inanan Stanley, 1885 yılının yazında bazı kapalı çekirdeklitransformatörler tasarlamış bulunuyorduKısa bir süre sonra sağlık problemleri nedeniyle, Stanley Pittsburgh'un kirli atmosferinden uzaklaşmak zorunda kaldıVVestinghouse'un yardımıyla Massachusetts'de Great Barrington'a giderek transformatörler üzerinde çalışmalarınısürdürdü Bu arada paralel bağlamanın yararına inanmayan VVestinghouse da elektrik mühendisliğinde başka birönder sayılabilecek Oliver BShallenberger'le Gaulard ve Gibbs'in ikincil üreteçleriyle ilgili deneyler yapıyordu

1885 Aralığında Stanley, VVestinghouse'u ikna edecek kadar gelişme göstermişti Bunun üzerine Shallenberger vebaşka bir parlak mühendis olan Albert Schmid'in yardımıyla Stanley'in transformatörünü daha kolay üretilecekşekilde geliştirmeye koyuldular Bobin çekirdekleri H harfi şeklinde kesilmiş ince demir levhalardan yapılmıştıYalıtılmış bakır bobinler H harfinin orta çizgisi etrafına sarılmış ve şeklin uçları ayrı birer demir bantla kapatılmıştıStanley, bu şeklin E harfine dönüştürülerek hazır sarılmış bobinlerin şeklin açık uçlarına takılmasını önerdi Eşeklindeki demir çekirdekler değişik doğrultularda bobinlere sokuluyor ve şeklin açık kalan uçları birleştirilerekmanyetik devre tamamlanıyordu Bu yapım şekli bugün de yaygın olarak kullanılmaktadırVVestinghouse Elektrik Şirketi transformatörlerle ilgili ilk patentini 1886'da aldı Bundan sonraki birkaç ay içinde aynıgrup önceden sarılmış bobinlerin demir çeskirdeklere yerleştirilmesi, transformatörün yağa batırılarak ve havasız birkutu içine konarak soğutulması ve yalıtılmasıyla ilgili patentleri de aldı Stanley, Great Barrington'da birkaçtransformatör üretti ve 500 voltluk bir sistem kurarak laboratuvarmdan bir mil uzakta olan kente elektrik dağıtmayıbaşardı Uzak mesafelere verimli iletim yapabileceğini göstermek için elde ettiği elektriği ilk önce transformatörlerinyardımıyla 3000 volta çıkarıyor daha sonra 500 volta indirerek kente gönderiyordul Sistem 16 Mart 1886'da tamamendevreye girdi ve çok başarılı sonuçlar verdiEdison ve yandaşları değişken akım sistemine karşı hem adalet hem de basın önünde mücadele ettiler ancakonlarınki daha baştan kaybedilmiş bir kavgaydı Nikola Tesla tarafından yapılan çok fazlı motor, değişken akımdanyararlanmak için önemli bir olanak yarattı Shallenberger'in "değişken akım vvattsaat ölçeri'ni icat etmesiylemüşterilerin enerji kullanımının doğru şekilde fatura edilmesi sağlandı Bu iki buluş değişken akımın birkaç özeluygulama dışında her alanda kullanılmasına olanak verdiBundan sonraki on yıl 1893 Chicago Dünya[size="3"> Fuarı'nın ışıklandırılması ve ilk ikisi 1895te servise sokulan NiyagaraŞelaleleri'ndeki 5000 beygir gücünde hidroelektrik santrallerin yapılması gibi başarılarla göze çarpan, değişken akımsistemlerinin hızlı yükselişine şahit olundu Elektrik enerjisi üretimindeki bu sersemletici büyüme, transformatörleride etkiledi 1895'te Niyagara'da bir şirket bir fırında kullanılmak üzere 750 kva gücündeki ilk transformatörü ürettiBundan beş yıl sonra 2000 kva gücünde 50000 volt gerilimde çalışabilen transformatörler yaygın olarakkullanılıyordu19 yüzyılın sonlarında üretilen transformatörlerin tamamen gelişmiş aygıtlar olduğu iddia edilebilir; aygıtın gerekliparçaları bugüne kadar değişmemiştir Ancak gerçekte transformatör gelişimine devam etmiştir Halâ soğutulan ve yalıtılmış demir levhalardan ve bakır bobinlerden oluşan bir aygıt olmasına rağmen transformatörün performansı1900'lerden bugüne önemli ölçüde gelişmiştir Çağdaş transformatörler 765 kvolt gerilimde çalışmakta ve 1 milyonkva güç taşıyarak 2540 yıl boyunca kullanılabilmektedirBu gelişmeler, hızlı büyümesi endüstrideki elektrik kullanımıyla ilgili olan, endüstriyel araştırmaların sonucudur,endüstriyel araştırma çalışanları, en az maliyetle en yüksek performansı ödüllendiren yarışma sistemiyledesteklenerek, yeni ürünler geliştirmek ve eskileri yenilemek için doğal görüngüleri anlamaya çalışmaktadırlarRekabet, kullanılan malzemelerin getirdiği sınırlamaları ortadan kaldırmak için gerekli itici gücü sağlarken, bir yandanda gelişmiş malzeme ve kuramlarla daha iyi tasarımlar ve fabrikasyon yöntemlerinin ortaya çıkmasına olanaktanımaktadırİdeal transformatörü belirleyen ölçütler büyük oranda çekirdeğin özelliklerine dayanır ve en önemli gelişmelerinolduğu bölüm de burasıdır Çekirdek malzemesinin önemli özellikleri geçirgenlikdoyum ("][/size]