ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
FİZİK II LABORATUVARI
DENEY 2
TRANSFORMATÖRLER
1. Amaç:
Bu deneyde:
1. Transformatörler yüksüz durumdayken giriş ve çıkış gerilimleri gözlenecek,
2. Transformatörler yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilim ve akımları incelenecek,
3. Transformatörlerin giriş-çıkış güçleri analiz edilecektir.
2. Transformatörler
Transformatörler, alternatif (AC) sistemlerde çıkış gerilimi ve akım seviyelerini,
frekansı değiştirmeden manyetik indüksiyon yoluyla ihtiyaca göre dönüştürmek için
kullanılan elektrik cihazlarıdır. Bu cihazlar, enerji iletimi ve dağıtımında kullanıldığı
gibi, birçok elektrik devre sistemlerinde gerilim dönüştürücü olarak ta kullanılır.
Transformatörlerde, temelde birbirlerine yakın konumlandırılmış iki bobin (sargı)
bulunur. Bu sargılardan biri primer (birincil) sargı olurken, diğeri sekonder (ikincil)
sargıdır. Birincil ve ikincil bobinlerin elektriksel herhangi bir bağlantısı yoktur.
Transformatörün primer bobin uçlarına bir alternatif gerilim kaynağından bir gerilim
(AC) uygulandığında, bobin üzerinden bir alternatif akım (AC) geçer. Yönü ve şiddeti
zamana bağlı olarak belli bir düzen içerisinde değişen bu akıma alternatif akım denir.
En yaygın olarak kullanılan AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır. Alternatif gerilim
kaynağı bulunan devrelerde güç kaynağının sabit bir “+” veya “-” kutbu yoktur.
Uygulanan bir alternatif gerilimde kutuplar sürekli değiştiği için, devrede kullanılan
direnç üzerinden geçen alternatif akımın yönü ve şiddeti de zaman göre her kutup
değişiminde değişir.
Bobin üzerindeki bu alternatif akım, çekirdek (nüve) üzerinde yönü ve şiddeti zamana
bağlı olarak sürekli değişen bir manyetik akı oluşturur. Nüve üzerindeki bu manyetik
akı (ØB), transformatörün sekonder (ikincil) bobinin uçlarında bir alternatif gerilim
(AC) indüklenmesine neden olur. Sonuçta, primer bobin uçlarına uygulanan bu
alternatif gerilim, transformatörün sekonder uçlarına bir gerilim indüklenmesiyle
sonuçlanır (Şekil-1).
Şekil-1: Farklı sarım sayılı bir transformatörün genel yapısı.
Faraday’ın indüksiyon yasasına göre bir devrede indüklenen elektromotor
kuvvetinin (ɛ) büyüklüğü, devreden geçen manyetik akının zamanla değişimine
bağlıdır:
 
d B
dt

(1)

 B   B . dA
(2)
Burada, ØB, devreden geçen manyetik akı olup, manyetik alanın geçtiği yüzey alanı;

A ve manyetik alan vektörü; B ’ dir.
Eşitlik-2 incelendiğinde, bir yüzey üzerine düsen manyetik akı,  B  B. A ’dır. Bir
yüzeyde manyetik akı artıyorsa, artan akıyı azaltmak, veya akı azalıyorsa artırmak
için indüksiyon akımı doğar ve bu akımı sağlayan kuvvet ise indüksiyon elektromotor
kuvvetidir (ɛ). Bu nedenle, devrede indüklenen elektromotor kuvvet bir elektrik akımı
olarak kendini gösterir.
Eğer devre N sarımdan oluşmuş ve ØB bir sarımdan geçen manyetik akı ise, devrede
oluşan toplam indüklenen elektromotor kuvvetinin (ɛ) büyüklüğü:
  N
d B
dt
(3)
Devrenin N1 ve N2 olmak üzere iki farklı sarımdan oluşması durumunda (primer ve
sekonder devreler), her bir sarımdan geçen manyetik akı ve indüklenen elektromotor
kuvvetler (emf) arasındaki bağıntılar aşağıda verilmiştir:
 1   N1
d B
dt
(4)
 2  N 2
d B
dt
(5)
Eşitlik (4) ve (5)’ ten, indüklenen elektromotor kuvvetlerin oranının, sarım sayıları
oranına eşit olduğu görülür:
 2 N2

 1 N1
(6)
Devre boyunca oluşan elektromotor kuvvet, devre içinden geçen manyetik akının
zamanla değişim hızı ile orantılıdır. Manyetik alan değişimi ise bir elektrik alanı ürettir.
Manyetik alanların elektrik alanlarına göre değişimleri, elektromanyetik dalgaların
özelliklerini açıklayan Maxwell denklemleri tarafından verilir. Manyetik alan değişimi
ve elektrik alan arasındaki bağıntı aşağıda verilmiştir:
 
 E . dl  

d B
dt
(7)

Burada, E vektörü, devrenin dl elemanı üzerindeki elektrik alan vektörüdür.
Çift
sargılı
transformatörler,
bir
nüve
(çekirdek)
üzerine
karşılıklı
olarak
konumlandırılan iki bobin (sargı) vasıtasıyla gerilim değişimini sağlayan devre
elemanlarıdır (Şekjil-2). Gerilim değişikliği, transformatörlerde kullanılan bu iki
bobindeki sarım sayılarının farklı olmasıyla (N1 ve N2) elde edilir. Tasarlanan bir
transformatörde kullanılan birinici (primer) ve ikinci (sekonder) bobinler, birbirlerinden
elektriksel olarak yalıtıldıkları gibi demir çekirdekten de yalıtılmaktadırlar.
Şekil-2: Farklı sarım sayılı transformatörlerde çıkış gerilimi ve akımının
gösterimi.
Şekil-2’ de gösterilen transformatörde:
V1:
Birinci bobine uygulanan alternatif giriş gerilimi,
I1:
Birinci bobine uygulanan alternatif akım,
V2:
Alternatif çıkış gerilimi (indüklenen gerilim),
I2:
N1:
N2:
Alternatif çıkış akımı,
Birinci bobin üzerindeki sarım sayısı,
İkinci bobin üzerindeki sarım sayısıdır.
Giriş voltajı (V1) ve çıkış voltajı (V2) arasındaki bağıntı transformatör denklemleri
tarafından verilir:
V2 N 2

V1 N1
(8)
Eşitlik-5’ de verilen N2/N1 oranı, sarım sayısı oranı (n) olarak ifade edilir:
N
n 2
N1
(9)
Birinci bobine uygulanan alternatif akımla (I1), ikinci bobin üzerindeki çıkış akımı
arasındaki bağıntı ise aşağıdaki gibidir:
I1 N 2

I 2 N1
(10)
Transformatör denklemleri tarafından verilen Eşitlik (8), (9) ve (10) ortak
çözüldüğünde, transformatör dönüştürme oranı:
V2 I1 N 2


V1 I 2 N1
(11)
olarak bulunur.
Eşitlik (11)’ de verildiği gibi, transformatörlerin primer ve sekonder sarım sayıları ile
gerilim ve akımları arasında sabit bir oran vardır. Bu oran transformatörlerin
dönüştürme oranıdır. Örneğin, ikinci bobinin sarım sayısı (N2) birinci bobinin
sarım sayısının (N1) 10 (on) katıysa, çıkış gerilimi de (V2), giriş geriliminin (V1) 10
katı olur. Bununla beraber, ikinci bobindeki alternatif çıkış akım değeri de aynı oranda
düşer:
V2 N 2 10


 V2  10V1
V1 N1
1
I1 N 2 10
1


 I 2  I1
I 2 N1
1
10
Bir transformatörün dönüştürme oranından da görüldüğü gibi,
çıkış gerilimi veya
akımının isteğe göre değiştirilmesi transformatör devresinde kullanılan bobinlerin
sarım sayılarına bağlıdır. Örneğin, gerilim yükseltici transformatörlerde ikinci bobinin
sarım sayısı (N2), birinci bobinin sarım sayısından (N1) fazladır. Bununla beraber,
ikinci bobinin sarım sayısı (N2) birinci bobinin sarım sayısından (N1) az olması
durumunda, transformatör gerilim düşürücü olarak çalışır.


N2 > N1
N2 < N1
(transformatör gerilim yükseltici)
(transformatör gerilim yükseltici)
Bir transformatör aldığı güçten daha fazlasını çıkış gücü olarak veremez. İdeal bir
transformatörde kayıplar ihmal edildiğinde, primer bobin tarafından çekilen gücün
kayıpsız olarak doğrudan sekonder bobine aktarıldığı kabul edilir.
Enerjinin kayıpsız aktarılacağı düşünülürse:
P1 = P2
V1I1 = V2 I 2
(12)
(13)
Burada; P1 primer (birinci) bobinin gücünü, P2 ise sekonder (ikinci) bobinin çıkış
gücünü belirtir.
Eşitlik (12) ve (13) incelendiğinde, bir transformatörün sekonder bobin uçlarına
bağlanan bir yükün çekeceği en fazla akımın ve harcayacağı en fazla gücün,
transformatör primer uçlarına uygulanan alternatif gerilime bağlı olduğu görülür.
3. Transformatörlerde Enerji Kayıpları
Teorik olarak bir transformatörün girişine ne kadar güç verilirse, çıkışından da aynı miktarda
güç alınır. Bununla beraber, diğer elektrik cihazlarında olduğu gibi transformatörlerinde
kayıpları vardır. Bu nedenle, transformatörlere uygulanan giriş enerjisinin bir bölümü ısı
enerjisine dönüşerek kaybolur. Bu kayıplar kendi aralarında demir kayıpları ve bakır kayıpları
olmak üzere ikiye ayrılır.
Transformatörlerin “yüksüz” (boş) çalışmasından dolayı oluşan kayıplarına demir
kayıpları denir ve “boş çalışma deneyi” tarafından belirlenir. Birinci bobine bir gerilim
uygulandığında, sekonder bobin uçları boşta bırakılır. Transformatörün birinci ve
ikinci bobin gerilimleri (V1, V2), birinci bobinden geçen akım (boşta çektiği akım, I1b)
ve çekilen güç değerleri Multimetreler veya hesaplamalar yardımıyla bulunur.
Transformatörün boşta çektiği akım değeri (I1b) çok küçük olduğundan bakır kayıpları
ihmal edilir. Boş çalışmasında okunan (veya hesaplanan) güç demir kayıpları olarak
bilinir.
Oluşan demir kayıpları çekirdek veya nüve kayıpları olarak ta tanımlanır.
Demir kayıpları kendi aralarında ise Histerisiz (Hysteresis) ve Fuko (Foucault)
kayıpları olmak üzere ikiye ayrılır ve ısı olarak transformatörlerde enerji kayıplarına
neden olur.
Transformatörlerde oluşan bakır kayıpları ise “kısa-devre deneyi” ile incelenir. İkinci
(sekonder) bobini bir ampermetre (veya bir iletkenle birleştirilerek) üzerinden kısa
devre edilen transformatörün, birinci bobinine voltmetre (V1) ve ampermetre (I1)
bağlanır.
Kısa devre deneyinde bobinlerin yanmaması için, birinci bobine uygulanan gerilim
düşük seviyelerde arttırılması gerekir. Birinci bobinine uygulanan bu kısa devre
gerilimi altında transformatörün ikinci bobininden akım (I2) geçtiği sırada, sekonder
kısmına bağlı Multimetreden okunan akım değeri (dolaysıyla bu akıma bağlı güç
değeri)
transformatörün
bakır
kayıplarını
verir.
Oluşan
bu
bakır
kayıpları
transformatör sargılarından akım çekildiğinde kaynaklanan kayıplar olup, bu
kayıplarda kendini ısı ve gerilim kaybı olarak gösterir.
Örnek olarak, kayıpları önemsenmeyen ideal bir transformatörde, giriş gerilimi,
V1=10V (AC); giriş akımı, I1= 0.15 A (AC) ve sekonder gerilimi, V2=3.0 V (AC) ise bu
transformatörün
sekonder
akımı
(I2)
ve
hesaplandığında:
P1  P2  V1 I 1  V2 I 2  P1  10V 0.15 A  1.5W
V1 I 1  V2 I 2  I 2 
olarak bulunur.
V1 I 1 10V 0.15 A

 0.5 A
3.0V 
V2
gücünün
(P2)
beklenen
değerleri
4. TRANSFORMATÖR DENEYİ
4.1. Deneyde Kullanılan Cihaz ve Araçlar
Laboratuvar çalışmalarına ön hazırlık olarak, transformatör deneyinde kullanılan
cihaz ve ekipmanların listesi burada verilmiştir:
1.
2.
DC/AC Ayarlanabilir Güç Kaynağı
3 adet Multimetre
3.
Farklı Sarımlı Bobinler
4.
Anahtar kutusu
5.
1 adet Reosta (Rmax=20Ω)
6.
Bağlantı Kabloları
4.2. Deneyde Dikkat Edilmesi Gereken Noktalar
Ölçüm yapılırken aşağıda belirtilen noktalar göz önünde bulundurulmalıdır:

Ölçülecek büyüklüğün türüne göre Multimetre, üzerinde AC seçimi yapılarak uygun
ölçüm aralığına getirilmelidir.

Ölçülecek birimin büyüklük değeri Multimetre ölçüm sınırından küçük olmalıdır.

Multimetre, ölçülecek büyüklüğün gerektirdiği bağlantı şekline uygun olarak
bağlanmalıdır.

Ölçüm kolaylığı sağlamak için Multimetre bağlantı kablosu uçlarından kırmızı olanı,
Multimettre üzerinde ölçülecek büyüklüğe göre seçilen sokete, siyah ucu ise COM
(ortak) soketine bağlanmalıdır.

Transformatör gerilim yükseltici olarak tasarlandığında (N2>N1), ikinci bobinden
çıkacak gerilimin 4050V değerlerini geçmemesi gerekir. Nemli ve terli ellerle ikinci
bobin uçlarının tutulmaması gerekir.

Bobinler transformatör sistemine yerleştirilirken yüksek akımın geçeceği ikinci bobin
telinin kalın olmasına dikkat edilmelidir.

Düzenek kurulurken transformatör demir çekirdek kapağının düzgün bir şekilde
yerleştirilmesine özen gösterilmelidir.

Deney verileri düzenli bir tablo olarak düzenlenmeli, sunulan verilerin birimlerine
dikkat edilerek uygun biçimde ifade edilmelidir.
DENEY 2: TRANSFORMATÖRLER
5.1. Bölüm-1: TRANSFORMATÖRÜN YÜKSÜZ OLMA DURUMU
Transformatör yüksüz (boş çalışma) durumdayken giriş-çıkış gerilimlerinin ve giriş
akımının okunması bu bölümde analiz edilecektir. Deney trafonun istenilen tarafında
yapılabilir. Deneyin birinci bobinde yapıldığı kabul edilirse, birinci ve ikinci bobindeki
gerilim (V1, V2), birinci bobinden geçen akım (I1b) ve çekilen güç (P1b) değerleri
Multimetre ölçümleri ve hesaplamalar yardımıyla belirlenir.
1. Şekil-3’ de gösterilen devreyi kurun.
2. DC/AC güç kaynağı en düşük konumdayken açın.
3. Anahtar kutusundaki anahtar “1” konumundayken “INPUT-1” kanalından birinci
bobine uygulanan giriş gerilimi, Multimetre-2’ den V1=5V okunacak şekilde güç
kaynağından ayarlayın. Bu işlem için Multimetre-2 voltaj ölçüm aralığının (range) 20V
(AC) olmasına dikkat edin.
4. Anahtar kutusundaki anahtar “2” konumundayken “INPUT-2” kanalından ikinci
bobindeki çıkış gerilimini (V2) okuyun ve not edin.
5. Bobin
sarım
sayısı
oranına
göre
beklenen
çıkış
gerilimini
(V2_beklenen),
transformatör dönüştürme oranından hesaplayın.
6. Deneysel ölçülen çıkış gerilimini (V2) ve beklenen çıkış gerilimini (V2_beklenen)
karşılaştırın. Aradaki farkı bularak hata oranının hesaplayın.
7. Multimetre-1 ölçüm cihazından, birinci bobine uygulanan alternatif giriş akımını
ölçmek için ölçüm aralığını (range), 10 A (AC) olarak belirleyin ve giriş akımını ( I1b)
okuyarak not edin.
8. Aynı işlemleri giriş gerilimleri (V1); 1V, 3V, 8V, 10V, ve 15V için tekrarlayın.
9. Çıkış geriliminin (V2) giriş gerilimine (V1) göre değişim grafiğini çizin.
10. Grafiğe en uygun doğrunun eğimini bulun. Bu eğim transformatör sarım sayısı
oranına (n) eşittir.
11. Eğimden, transformatör sarım sayıları oranını (n) deneysel olarak hesaplayın.
Deneysel olarak hesaplanan sarım sayıları oranını (n), beklenen değerle karşılaştırın.
12. Transformatörün boşta çektiği akım değerlerini (I1b) Multimetre-1’den okuyun ve
yorumlayın.
13. Deneyi farklı sarımlı primer ve sekonder bobinler için tekrarlayarak, sarım sayısı
oranlarının deneysel ve kuramsal değerlerini bir tabloda oluşturun.
Şekil-3: Transformatör yüksüz durumdayken deney düzeneği.
5.2. Bölüm-1: TRANSFORMATÖRÜN YÜKLÜ OLMA DURUMU
Transformatör yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilimlerinin ve giriş-çıkış akımlarını
okunması bu bölümde incelenecektir.
Transformatörün ikinci bobin uçları arasına devre elemanı olarak değişken dirençli bir
reosta bağlanarak transformatör yüklü duruma getirilir. Devrede kullanılacak olan
sürgülü reosta sıfır konumunda olduğunda, transformatörün yük direnci sıfırdır.
Bu bölümde yapılacak deneyde, değişken dirençli reostanın direnci, R=10Ω değerine
ayarlanır. Böylece, transformatörün yüklü çalışması durumunda ikinci bobin, devreye
bağlanan yükü besler. Bu durumda, ikinci bobinden bir akım geçer. İkinci bobin
üzerinden geçen bu akımın belirlediği çıkış gücünü (P2) ve oluşabilecek kayıp gücünü
(P2,loss) karşılayabilmek için, transformatör birinci bobini bu iki gücün toplamına eşit
bir gücü (P1) güç kaynağından çekmesi gerekir (P1=P2+P2,loss).
1. Şekil-4’ de gösterilen devreyi kurun.
2. DC/AC güç kaynağını en düşük konumdayken açın.
3. Anahtar kutusundaki anahtar “1” konumundayken “INPUT-1” kanalından birinci
bobine uygulanan giriş gerilimini (V1=5 V) olacak şekilde Multimetre-2’ den okuyun.
Bu işlem için Multimetre-2 voltaj ölçüm aralığını (range) 20V (AC) olmasına dikkat
edin.
4. Birinci bobine uygulanan alternatif giriş akımını (I1) ölçmek için Multimetre-1 ölçüm
aralığını (range) 10 A (AC) olarak belirleyin ve giriş akımını (I1) okuyun.
5. Anahtar kutusundaki anahtar “2” konumundayken “INPUT-2” kanalından ikinci
bobindeki çıkış gerilimini (V2) Multimetre-2’den okuyun.
6. İkinci bobindeki alternatif çıkış akımını ölçmek için Multimetre-3 ölçüm aralığını
(range) 10 A (AC) olarak belirleyin ve çıkış akımını I2 (deneysel) okuyun.
7. Bobin sarım sayısı oranına (n) göre beklenen çıkış akımı I2 (beklenen) değerini
transformatör dönüştürme oranından hesaplayın.
8. Deneysel ölçülen çıkış akımını, beklenen çıkış akımı ile karşılaştırın. Aradaki farkı
bularak hata oranını hesaplayın.
9. Aynı işlemleri giriş gerilimler (V1); 1V, 3V, 8V, 10V, ve 15V için yapın.
10. Çıkış akımının (I2) giriş akımına (I1) göre değişim grafiğini çizin ve yorumlayın.
11. Deneysel ölçülen gerilim ve akım değerlerini kullanarak transformatör giriş ve çıkış
güçlerini (P1 ve P2) hesaplayın ve not edin.
12. Deneyde bulduğunuz transformatör giriş ve çıkış güçleri arasındaki farkı yorumlayın.
13. Deneyi farklı birinci ve ikinci bobinler için tekrarlayın.
Şekil-4: Transformatör yüklü durumdayken deney düzeneği.
Ad Soyad: ..........................................
No: ......................................................
Grup: ..................................................
Tarih: .................................................
DENEY 2: TRANSFORMATÖRLER
Transformatör (boş) Yüksüz Durumdayken Giriş-Çıkış Gerilimleri ve Giriş
Akımının Okunması:
Transformatör Birinci Bobin Sarım Sayısı, N1 = . . . . . . .
Transformatör İkinci Bobin Sarım Sayısı, N2 = . . . . . . .
n (kuramsal) 
N2
=.......
N1
Tablo-1: Transformatör yüksüz (boş) durumdayken giriş-çıkış gerilimleri ve giriş akımı
V2(deneysel V2(beklenen V2(Fark) V2(Fark)
V1(V)
I1b(A)
)(V)
) (V)
(V)
(±%)
1
3
5
8
10
15
Tablo-2: Farklı sarım sayıları kullanılarak tasarlanan her bir transformatöre göre,
sarım sayısı oranının (n) deneysel ve kuramsal değerlerinin karşılaştırılması
n
n’
n (n-n’) n (Fark)
N2
N1
(Deneysel) (Kuramsal)
(Fark)
(±%)
Grafik-1: Çıkış geriliminin (V2) giriş gerilimine (V1) göre değişim
grafiği.
Transformatör Yüklü Durumdayken Giriş-Çıkış Gerilimleri ve Giriş-Çıkış
Akımlarının Okunması
Transformatör Birinci Bobin Sarım Sayısı, N1= . . . . . . .
Transformatör İkinci Bobin Sarım Sayısı, N2 = . . . . . . .
n (kuramsal) 
N2
=.......
N1
Tablo-3: Transformatör yüklü durumdayken giriş-çıkış gerilimleri ve giriş-çıkış
akımları
V2(Ölçülen
I1(Ölçülen)
I2(Ölçülen I2(Beklenen I2(Fark)
V1(V)
)
(A)
) (A)
) (A)
(A)
(V)
1
3
5
8
10
15
Grafik-2: Çıkış akımının (I2) giriş akımına (I1) göre değişim grafiği.
Tablo-4: Transformatör giriş-çıkış güçleri
Ölçülen Veriler
V1(V)
1
3
5
8
10
15
I1(A)
Ölçülen Veriler
V2(V)
I2 (A)
Ölçüm Verilerine
Göre Hesaplanan
P1 (W)
P2 (W)
Fark
(P2-P1)
P(W)
Rapor:
Amaç:
Deneyin Yapılışı:
Sonuç:
Download

DENEY 2